21.05.2015
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Tops und Flops der Automobilentwicklung

Die ersten Jahrzehnte der Entwicklung des Automobils waren vor allem durch die Verbesserung der Gebrauchstüchtigkeit gekennzeichnet, die in den Anfangszeiten noch stark zu wünschen übrig ließ. In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts stand vor allem die Steigerung der Fahrleistungen im Vordergrund. Mit großem Nachdruck wurde auch an der konstruktiven Vielfalt und unterschiedlichen Design-Konzepten gearbeitet. Nach dem 2. Weltkrieg setzte dann in Europa und in Japan, wie zuvor schon in den USA, das Phänomen der Massenmotorisierung ein, die eine ganze Reihe von evolutionären Verbesserungen und technologischen Meilensteinen beinhaltete; regelrechte Innovationswellen in Sachen Komfort, Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Sicherheit und Abgasreinigung wurden angestoßen. Zusätzlich kamen, besonders in den letzten 30 Jahren, neue Fahrzeug-Gesamtkonzepte, wie Offroader, Großraum-PKW und so genannte Crossover-Konzepte hinzu.

Mit dem Rad fing alles an

Damals wie heute und aller Voraussicht nach noch für sehr lange Zeit wäre das Auto ohne eine der ältesten und wichtigsten Erfindungen undenkbar gewesen - das Rad. Auch wenn es andere Trag- und Führungstechniken wie Luft- oder Magnetkissen gibt, stellen diese sehr wahrscheinlich auch in Zukunft keine Alternativen dar. Eine frühe Ergänzung des Rads, der Luftreifen, hat wesentlich zum Erfolg und zur Durchsetzung des Straßenfahrzeugs beigetragen. Gleichzeitig sind im Lauf der Jahrzehnte selbstverständlich auch die Federungssysteme der Fahrzeuge und die Straßenoberflächen stark verbessert worden.

Inzwischen hat mit neuen Disziplinen und Forschungsbereichen wie der Mechatronik das Zeitalter des "intelligenten Reifens" begonnen. In ihren passiven Eigenschaften, wie Tragen, Führen und Federn schon deutlich ausgereizt, können Reifen heute mittels Sensorik (Erfassen elektrischer Größen) schon im Labor und zukünftig auch mittels Aktorik (Erzielen ganz bestimmter Effekte) vor allem in Hinblick auf die Fahrsicherheit verbessert werden.

Der Motor brachte Bewegung ins Spiel

Ein weiteres, bis heute wesentliches Grundprinzip des Automobils ist der Motor, insbesondere das Modell des Hubkolbenmotors. Weltweite, evolutionäre und revolutionäre Weiterentwicklungen auf allen Teilgebieten des Motorenbaus haben bei diesem Element auch unter Extrembedingungen zu enormen Fortschritten hinsichtlich Alltagstauglichkeit, Leistungsvermögen, Lebensdauer und zahlreichen anderen Eigenschaften geführt. So konnten z.B. das Leistungsgewicht des Motors um den Faktor 100 und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit um den Faktor fünf verbessert werden. Viele Hersteller arbeiten daher heute an der weiteren Optimierung des Hubkolbenmotors, wobei neben der Leistung vor allem die Kraftstoffwirtschaftlichkeit sowie die Abgas- und Geräuschemissionen eine wichtige Rolle spielen.

Der Hubkolbenmotor: mit Valvetronic zum Dauerbrenner
Ein Beispiel hierfür ist die VALVETRONIC, mit der die BMW Group einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung des Hubkolbenmotors leistete. Durch seinen variablen Ventilhub ermöglicht das System die Anpassung der Motorleistung an die zu bewegende Last. Das Prinzip ist mit der menschlichen Atmung vergleichbar: Je mehr ein Mensch leistet, desto tiefer atmet er ein. Bei weniger Leistung ist eine geringere Luftzufuhr ausreichend; im Falle des Automobils entspricht dies einem geringeren Kraftstoffverbrauch.

Der Wankelmotor: kein Hin und Her
Ein völlig anderes Prinzip als der Hubkolbenmotor nutzte Felix Wankel, als er 1957 seinen Motor zum ersten Mal auf dem Prüfstand testete. Wankel ließ den Verbrennungsvorgang des Gases nicht in einem Kolbenzylinder abspielen, sondern in einem Drehkolben. Wankelmotoren wurden in Automobilen von NSU verwendet, wobei die Ära des Drehkolbenmotors - zumindest in Deutschland - 1977 mit der Produktionseinstellung des Audi Ro 80 endete, wohlgemerkt als Automotor. Das im Oktober 2004 erschienene Coupé RX-8 von Mazda bringt den Wankelmotor erneut ins Gespräch.

Der Dieselmotor: sparsam und abgasarm
Eine Erfolgsgeschichte besonderer Art begann 1897 mit dem PKW-Dieselmotor. Als besonders effiziente Verbrennungskraftmaschine entwickelt, erfolgte der erste Serieneinsatz 1923 im LKW. 1936 brachte Mercedes-Benz den ersten Diesel-PKW auf den Markt. 1988 brachte Fiat den Direkteinspritzer und ein Jahr später leitete der Turbo-Direkteinspritzer von Audi dann den Siegeszug des modernen PKW-Dieselmotors ein. Fortschrittliche Hochdruck-Einspritzsysteme sowie umfangreiche theoretische und experimentelle Entwicklungsarbeiten haben diesen Motortyp in den letzten drei Jahren leistungsfähig und zugleich sparsam, komfortabel und abgasarm gemacht.

Front- oder Heckantrieb? Das ist hier die Frage

Die Blütezeit der Heckmotorwagen begann mit dem Volkswagen, dem bald nach dem Zweiten Weltkrieg Renault und ab 1955 auch Fiat mit ihren Kleinwagen folgten. Alle drei Unternehmen waren damit sehr erfolgreich. Trotz intensiver Weiterentwicklungs-Bemühungen wurden die Nachteile des Heckmotors immer offensichtlicher, so dass Renault schon ab 1961 und Fiat im Jahr 1969 von diesem Motorentyp wieder Abstand nahmen. Porsche hält ihm mit dem 911 bis heute die Treue.

Nach dem Motto "Ziehen ist besser als Schieben" experimentierten die Automobilbauer bereits zwischen 1900 und 1910 mit dem Frontantrieb. Die Antriebskräfte wurden in der Frühzeit mit Ketten, alsbald jedoch mit Wellen auf die Hinterräder übertragen. Um 1900 gab es auch schon erste Fronttriebler. Wichtige Fortschritte bei den Gelenkwellen ermöglichten 1931 den Serienstart von DKW-Frontantriebsfahrzeugen. Vor allem die Erfolge bei der Entwicklung und Fertigung von Gleichlaufgelenken führten 1960 zum Siegeszug des Frontantriebs bis in den Mittelklassebereich hinein. Heute sind nach dem Vorbild des Mini praktisch alle Kleinwagen Fronttriebler.

Allradantriebe für PKW kamen ab den 60er Jahren auf, zunächst zur Verbesserung der Traktion. Später dachte man auch an die Verbesserung des Fahrverhaltens, vor allem auf rutschigen Fahrbahnen. Heute gibt es eine Reihe ganz unterschiedlicher Konzepte, nicht zuletzt für Offroader. Das Beispiel des neuen XDrive-Systems von BMW zeigt, wie sehr gute Geländegängigkeit mit hervorragenden Fahr- und Handlingeigenschaften auf "normalen" Straßen kombiniert werden können. Voraussetzung hierfür sind stufenlos-variable Kraftverteilungen, die sehr schnell und bedarfsgerecht erfolgen.

In der Debatte um die Vor- und Nachteile von Front- und Heckantrieb hat sich BMW für die Variante Frontmotor mit Heckantrieb entschieden. BMW ist die einzige Marke, die mit dieser Antriebsart in allen Baureihen vertreten ist. Die räumliche Teilung von Motor und Getriebe erlaubt eine bessere Gewichtsverteilung und Autos mit Heckantrieb kommen wegen der gezielten Auslegung der Vorderachse nur für das Lenken mit einem geringeren Lenkaufwand des Fahrers aus als der Frontantrieb. Während zahlreiche Hersteller insbesondere für Fahrzeuge der Kompakt- und Mittelklasse dem Frontantrieb den Vorzug geben, bleibt der Hinterradantrieb für Hochleistungsautos und sportlich orientiertes Fahren erste Wahl.

Antriebsvarianten: was alles noch zum Motor dazugehört

Auf dem Antriebssektor wurden schon ab 1900 mit der Einführung neuer Systeme wesentliche Schritte hin zur verbesserten Alltagstauglichkeit der Automobile erreicht. Dazu gehörten die Hochspannungs-Magnetzündung, neue Kühler-Konzepte, Kupplung, Zahnradwechselgetriebe und der Kardanwellenantrieb. Auch der Spritzdüsenvergaser setzte sich nach seiner Einführung schnell durch. Seine Bedeutung hielt bis zur Einführung der Benzineinspritzung an und wurde nach mechanischen Vorläufern ab den 70er Jahren elektronisch gesteuert. Ebenso konnten schon in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts Vier- und Mehr-Zylindermotoren sowie der elektrische Anlasser weniger überzeugende Alternativen schnell hinter sich lassen.

Während es für Ottomotoren mehrere Aufladekonzepte gibt, die bis heute durchaus in Wettbewerb zueinander stehen, hat sich beim Dieselmotor die 1905 patentierte Turboaufladung vollständig durchgesetzt. Ausschlaggebend hierfür war besonders das wirksame Zusammenspiel von Hubkolbenprinzip und Turbolader beim Dieselmotor. Bei Ottomotoren wurde in den 80er Jahren der l-geregelte 3-Wege-Katalysator zur gleichzeitigen Reduzierung aller drei limitierten Abgaskomponenten sehr schnell zur Standardlösung.

Der Wasserstoffantrieb: die etwas andere Alternative

Eine nahezu emissionsfreie Mobilität ermöglicht der Wasserstoffantrieb. Bei diesem Antriebssystem wird aus Energie und Wasser Flüssigwasserstoff gewonnen, der bei der Verbrennung wieder in Wasser umgewandelt wird. Nach diesem Prinzip arbeiten die Wasserstoffmotoren der BMW Group. Diese werden im Rahmen der BMW-Initiative CleanEnergy entwickelt, um einen serienreifen CO2-freien Kreislauf zur Energiegewinnung zu generieren.

Ferner gibt es erste Überlegungen, den Wasserstoff in der im Fahrzeug befindlichen Brennstoffzelle zur Stromversorgung zu nutzen. Diese sollen im Kofferraum untergebracht sein und in Zukunft die Autobatterie ergänzen können. Eine weitere Alternative im Bereich der Antriebstechnologie ist die Kombination aus der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung und dem Elektromotor als Antriebsaggregat. Diese Lösung wird für Anwendungen mit derzeit noch begrenzten Leistungsansprüchen entwickelt.

Bremsen hinterlassen ihre Spuren

Auch beim "negativen Antrieb", dem Bremssystem, ist das uralte Prinzip, kinetische Energie durch Reibung in Wärme umzuwandeln, erhalten geblieben. Wie im Motorenbau konnten bei diesem Basissystem durch die kontinuierliche Verbesserung von Details in Verbindung mit neuen Technologien sowohl die eigentliche Bremswirkung drastisch verbessert als auch weitere Zusatzfunktionen eingebracht werden, so z.B. für die fahrdynamischen Regelsysteme und Hill Holder.

Richtungsweisend: die Lenkung
Neben dem Antrieb und den Bremsen ist die Lenkung/Spurführung eine unersetzliche Funktion eines jeden Kraftfahrzeuges. Auch hier zeigt sich, dass das Grundprinzip, die gezielten Lenkeinschläge beider Vorderräder mit schwenkbaren Achsschenkeln, Lenkhebeln und Spurstange, immer noch die absolute Standardlösung aller Automobile darstellt. Im Laufe der Jahrzehnte gab es große Fortschritte bei den Lenkgetrieben, wodurch die Lenkungen immer präziser und leichtgängiger wurden.

Heutige Servo-Zahnstangenlenkungen lassen im Verbund mit ausgefeilten Lenkkinematiken kaum noch Wünsche offen. Das gilt ganz besonders für die Aktivlenkung von BMW, bei der die Lenkübersetzung so verändert wird, dass beim Parken nicht mehr umgegriffen werden muss, bei hohen Geschwindigkeiten das Fahrzeug aber nicht zu sensibel auf kleine Lenkeinschläge reagiert.

ABS auf der Siegerstraße
Schon früh stellte sich heraus, dass blockierende Räder zum Schleudern des Fahrzeugs und zum Verlust der Lenkfähigkeit führen. Bereits in den 20er Jahren beschäftigte man sich daher ausführlich mit Vorrichtungen zur Vermeidung blockierender und durchdrehender Räder für Schiene, Straße und Landebahn. Die ersten noch rein mechanisch arbeitenden Schlupfregelsysteme der 50er Jahre erwiesen sich als nur unzureichend geeignet.

Ende der 60er Jahre waren erste elektronisch gesteuerte Systeme mit kurzer Reaktionszeit der Magnetventile und fortgeschrittener Hydraulik verfügbar. Die Zuverlässigkeit der analogen Signalverarbeitung und der damalige Stand der Steuergeräte waren jedoch noch nicht ausreichend. Eine deutliche Verbesserung gelang erst mit der Einführung der Digitaltechnik Ende der 70er Jahre. Damit begann der Siegeszug der ABS-Systeme, die unter Einbeziehung der Antriebsschlupf-Regelung schließlich zu umfassenden Fahrstabilitätssystemen (ESP oder DSC) ausgebaut wurden.

Alles dreht sich um die Achse

Vorreiter auf dem Fahrwerkssektor war lange Zeit die Starrachse, die ab Ende der 20er Jahre zunehmend von Einzelradaufhängungen abgelöst wurde. Als ein Beispiel für die Zeit nach dem 2. Weltkrieg sei die Federbeinachse genannt, die sich endgültig ab Ende der 60er Jahre als eine der Standardlösungen für Vorderachsen durchsetzte. Während es für fast alle Achskonzepte - vorzugsweise Mehrlenkerachsen - unterschiedliche Ausführungsformen gibt, wird heute dennoch auf alle das gleiche Auslegungsprinzip angewandt, die Elastokinematik. Es handelt sich dabei - erstmals systematisch bei der Porsche-Weissach-Achse (1977) eingesetzt - um passive, aber zur Erreichung des gewünschten Eigenlenkverhaltens wirksame Radstellungsänderungen bei Seiten- und Verzögerungskräften.

Karosserie und Werkstoffe: schön und zweckmäßig zugleich
Insbesondere im Motor- und Karosseriebereich interessierte man sich schon früh für den Leichtbauwerkstoff Aluminium. Während dieser Werkstoff im Antriebsbereich schnell Eingang in Serienfahrzeuge fand, beschränkte sich der Einsatz von Aluminiumkarosserien zunächst auf Einzelanfertigungen oder einzelne Bauteile. Der 1954 mit einer Aluminium-Ganzkarosserie als Serienmodell angefertigte Dyna Panhard wurde bereits nach kurzer Zeit wieder auf Stahl umgestellt; anschließend beschränkte man sich weltweit auf Alu-Anbauteile. Die komplette Außenhaut wurde nur in Kleinserien aus Aluminium hergestellt. Nach langen und intensiven Vorarbeiten ging Audi 1994 mit dem A8 und 1999 mit dem A2 in größerer Serie in Produktion.

Aluminium-Legierungen sind relativ teuer und zudem schwieriger zu verarbeiten als klassische Stahllegierungen. Zudem haben intensive Arbeiten in der Stahlindustrie ebenfalls Fortschritte im Leichtbau deutlich gemacht. Nach wie vor gibt es aber auch in Großserien Anbauteile aus Kunststoffen, wie Klappen und Kotflügel. Einige Innenraum-Bauteile bestehen sogar schon aus Magnesium. Auch wenn die Chancen für neue Ganzaluminium-Karosserien von Kleinserienfahrzeugen - wie z.B. beim neuen Rolls Royce - gut stehen, bevorzugen viele Großserien-Hersteller wie die Marke BMW aber nach wie vor den Einsatz intelligenter "Werkstoff-Mix-Konzepte".

Hightech-Fahrzeuge aus intelligenten Materialien
Autos werden heute immer mehr zu Hightech-Fahrzeugen, bei denen zunehmend das Gewicht der stetig ansteigenden Zahl an Komponenten zum Problem wird. Um Gewicht zu sparen, muss unter Beachtung von Qualität, Sicherheit und Komfort der richtige Werkstoff am richtigen Platz eingesetzt werden. In Sachen intelligenter Leichtbau setzt BMW, z.B. beim BMW M3 CSL, vor allem auf kohlenfaserverstärkten Kunststoff, der pro Kubikdezimeter rund sechs Kilo leichter ist als Stahl. Da es aber im Bereich des Leichtbaus keine Patentlösung gibt, werden auch andere Werkstoffe kontinuierlich weiter erforscht. Die Materialexperten der BMW Group sehen vor allem im Magnesium großes Potenzial für den Leichtbau. Dieses Potenzial wird beim weltweit ersten Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuse, das von BMW entwickelt wurde, in Bälde genutzt.

Die Liebe zum Detail

Die Panorama-Windschutzscheibe, die nach vorne und seitlich wesentlich bessere Sichtverhältnisse bieten sollte, wurde in den USA ab 1955, von Opel ab 1957 eingesetzt. Die dazu notwendige starke Scheibenbiegung ergab jedoch deutliche Sichtverzerrungen. Ab 1958 verschwand die von vielen Beobachtern als Modeerscheinung bezeichnete Panorama-Windschutzscheibe wieder aus dem "Blickfeld".

Gleichfalls auf einer guten Idee basierte der von Mercedes-Benz ab 1984 eingesetzte Einarm-Scheibenwischer mit Hubsteuerung des Wischerblattes, das 86 Prozent der Scheibenfläche bestreichen konnte. Dessen schnelle Bewegung, insbesondere auch das "Auf- und Abzucken", wurde allerdings zumeist als störend empfunden, so dass dieses Prinzip zwar für den Heckscheibenwischer beibehalten, im Bereich der Frontscheibenwischer jedoch aufgegeben wurde.

Das gute alte Armaturenbrett, mit Zeigern in traditionellen Rundinstrumenten "lebt". Die Ende der 80er Jahre erschienenen digitalen Anzeigen konnten sich nicht durchsetzen. Das ständige Hin- und Herspringen der Zahlen, häufig als "Mäusekino" bezeichnet, irritierte die Fahrer ohne nützliche Informationen zu liefern.

Erwähnt werden sollte eine zwar relativ kleine, aber über mehrere Jahrzehnte sehr erfolgreiche Innovation im Karosseriebau: Das von General Motors im Jahre 1933 eingeführte vordere Ausstellfenster. Über mehr als 30 Jahre hinweg wurde dieses Prinzip weltweit in großem Umfang eingesetzt und entwickelte sich zu einem der erfolgreichsten Patente der Automobilgeschichte. Ab den 70er Jahren wurden die Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen so leistungsfähig, dass auf das zwar einfache, aber weniger wirksame und mit Nachteilen behaftete Ausstellfenster verzichtet werden konnte.

© BMW Science Club