E-Jet

Innovationsträger für die nachhaltige und zukunftsorientierte Mobilität

Das Forschungsfahrzeug E-Jet dient als innovatives Beispiel für alternative Mobilitätskonzepte der Zukunft und wurde im ersten Schritt als Konzeptstudie durch die Hans Hermann Voss-Stiftung gefördert. Im Spannungsfeld zwischen pedalgetriebenen Fahrzeugen und dem klassischen Pkw entsteht in diesem Projekt ein Innovationsträger für die zukunftsorientierte Mobilität. Als „Human-Hybrid“ Fahrzeug mit seriellem Antrieb stellt es eine nachhaltige Mobilitätslösung dar, welche durch ein zukunftsorientiertes Lenkkonzept und eine außergewöhnliche Aerodynamik ergänzt wird. Die Kombination der Schwerpunktthemen prägt dieses Fahrzeug, das man auch als Sportgerät nutzen kann. Das Ziel der Weiterentwicklung ist es, die Teilsysteme erlebbar und bewertbar darzustellen und gleichzeitig einen Innovationsträger für die ländliche Mobilität aufzubauen.

„Human-Hybrid“ beschreibt in diesem Kontext eine Verbindung aus Elektro- und Pedalantrieb, wie sie heute schon in Pedelecs zu finden ist – allerdings ohne Kette oder Zahnriemen. Besonders ist in diesem Fahrzeug, dass eine Antriebstopologie und -regelung dargestellt wird, welche das Tretmoment des Fahrers wahlweise um ein Vielfaches unterstützt. Somit ist es möglich, eine symbiotische Verbindung zwischen Fahrer und Fahrzeug zu erzeugen. Die serielle Plug-In-Hybridstruktur nutzt die Tretbewegung des Fahrers einerseits als Sollwert für die Fahrzeuglängsführung, andererseits wird über den Generator elektrische Energie in das Antriebssystem einspeist. Dadurch kann theoretisch eine beliebige Reichweite erzielt werden, wenn auch die Fahrgeschwindigkeit bei leerer Batterie limitiert ist.

Konkret bedeutet dies, dass durch die Antriebstopologie das Fahrzeug durch das Betätigen des Kurbeltriebs auf Geschwindigkeiten von bis zu 120 km/h beschleunigen kann. Die verfügbare Leistung des Fahrzeugs entspricht der 100-fachen Durchschnittsleistung eines Menschen. Im Vergleich zu bestehenden Fahrzeugkonzepten wie z.B. elektrisch unterstützten Fahrrädern (Pedelecs) zeichnet sich das Fahrzeugkonzept durch einen in weiten Bereichen einstellbaren Verstärkungsfaktor aus. Aus diesem Grund wird eine elektromechanische Entkopplung von Fahrereingabe und Fahrzeugreaktion realisiert (drive-by-wire). Der Fahrerwunsch wird durch Sensorik ermittelt und an das Fahrzeug übermittelt, die Fahrzeugreaktion wird als Feedback an den Fahrer zurückgesendet.

Das Forschungsfahrzeug E-Jet verfügt über einen Antriebsstrang, bei dem der Fahrer mit seiner eigenen Leistung einen Anteil zur Gesamtfahrzeugleistung beiträgt. Ein ausgeklügelter Einblick in die mechanische und metabolische Leistung des Menschen ermöglicht eine Vorhersage und Optimierung der Leistungsabgabe auf der einen Seite sowie eine gezielte Auslegung und innovative Regelung der Antriebsstrangkomponenten auf der anderen Seite.

Die mögliche Leistungsabgabe beim Fahrradfahren hängt von mehreren Faktoren wie Alter, Gewicht, Größe, Geschlecht und Fitness ab. Die maximale Herzfrequenz, der maximale Sauerstoffverbrauch und die maximale mechanische Leistung eines Individuums sind einige der Parameter, die zur Optimierung des Fitnessniveaus verwendet werden. Die mechanische Leistung berechnet sich auch hier aus Trittfrequenz und Drehmoment.

Trittfrequenz ist der Begriff, der zur Beschreibung der Trittgeschwindigkeit beim Radfahren verwendet wird und auch als Kadenz bezeichnet werden kann. Diese Kadenz wird in der Regel in Umdrehungen pro Minute gemessen. Unterschiedliche Menschen radeln in verschiedenen Trittfrequenzen, je nach persönlicher Präferenz. Darüber hinaus variiert die Trittfrequenz von denselben Person je nach benötigter Leistung. Die Variation der Kadenz wirkt sich auf die Herzfrequenz, den Sauerstoffverbrauch, den Blutlaktatspiegel, die metabolische Effizienz und den Energieaufwand aus. Das Drehmoment ist das Produkt aus der auf das Pedal ausgeübten Nettokraft und der Kurbellänge und wird in Newtonmetern gemessen. Das Drehmoment an der Kurbel variiert folglich in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel und dient beim Fahrrad dazu, alle Fahrwiderstände zu überwinden.

Auf dem Weg zum prototypischen Forschungsfahrzeug wurde durch die Integration von umfassender Sensorik und den Einsatz von Rapid Control Prototyping Werkzeugen eine Forschungsplattform als „Proof of Concept“ für einen "muscuhybriden" Antriebsstrang geschaffen, die gleichermaßen dem Erkenntnisgewinn wie auch der Bewertung des Fahrerlebnisses dient. Diese Forschungsplattform ermöglicht die weitere Forschung an verschiedenen Steuerstrategien, die ein unterschiedliches Fahrerlebnis erzeugen. Ebenfalls können innovative Ansätze im Bereich des Energiemanagements implementiert und die Abgabe von mechanischer Leistung durch Menschen besser verstanden werden.

Die Querführung des Fahrzeuges wird nicht, wie im traditionellen Pkw, mittels eines Lenkrads vor dem Fahrer geregelt, da die Beinbewegung mit diesem kollidieren würde. Statt dessen sitzt der Fahrer quasi in einem oben geöffneten großen Lenkrad, also einem Bogensegment, welches den Fahrer von unten umschließt. Der sogenannte „Steering-bow“ bietet gerade für sportliche Sitzpositionen Vorteile bezüglich des Einstiegs, verdeckt nicht die Sicht und schafft Raum für die Beine während der Nutzung des Pedalantriebs (Human-Hybrid). Durch die vermiedene Einschränkung der Sicht können die Anzeigen des E-Jets deutlich freier gestaltet und an die Bedürfnisse der Fahrer*innen angepasst werden. Nicht zuletzt unterstützt der „Steering-bow“ ein intuitives und hochdynamisches Fahrerlebnis.

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Die anhaltenden Bestrebungen zur Reduzierung des Luftwiderstandes und zur Verbesserung der Fahrdynamik von Kraftfahrzeugen erfordern die Entwicklung neuartiger Aerodynamik-konzepte. Neben passiven Maßnahmen an Fahrzeugen kommen aktive aerodynamische Systeme (AAS) zur Beeinflussung der Fahrzeugaerodynamik immer mehr zum Einsatz. Im Forschungsfahrzeug E-Jet werden sowohl an der Vorder-, als auch an der Hinterachse mehrteilige aktive Flügelsysteme eingesetzt, die aus der Luftfahrt abgeleitet wurden. Damit kann bei unterschiedlichen Fahrmanövern zusätzlicher Abtrieb generiert und der Luftwiderstand gezielt beeinflusst werden. Analytische Berechnungen zeigen, dass unter Verwendung der AAS eine signifikante Steigerung der maximalen Kurvengeschwindigkeit durch eine Zunahme des Abtriebs im Vergleich zum Referenzzustand erreicht wird. Weiterhin ist eine signifikante Verringerung des Bremswegs möglich. Aktive aerodynamische Systeme bieten damit großes Potenzial, eine neue Dimension sowohl der Fahrdynamik, als auch der Energieeffizienz zu erschließen.