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Bauweisen der Karosserie
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This research work investigated in detail the mechanical performance of a flow-drill screw connection of two aluminium plates with and without pilot holes. An extensive experimental campaign involving material and joint tests under different loading modes is presented. These tests are supported by numerical models. Detailed solid-element models provided meaningful information about the local deformation mechanisms of the tested configurations, and allowed to identify the reason behind the early screw failure observed in some of the experimental joint tests. Moreover, several geometrical features of the connection were found to be relevant for the mesoscopic model, so their influence was assessed. The combination of experiments and simulations provided robust and meaningful understanding of the connections.
Im Projekt Next Generation Car erarbeitet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) innovative Technologien und Methoden zur Entwicklung zukünftigen Fahrzeugarchitekturen und Karosseriestrukturen. Erste Ergebnisse der interdisziplinären Zusammenarbeit werden auf der Tagung WerkstoffPlus Auto am 15. – 16. Februar 2017 in der Alten Reithalle Stuttgart ausgewiesenen Experten und Ausstellern aus Industrie und Wissenschaft vorgestellt.
Zur Senkung des CO 2-Ausstoßes spielt die Reduzierung der Fahrzeugmasse eine wichtige Rolle. Am Beispiel eines Magnesiumgussteils für die Vorderwagenstruktur zeigt das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte, wie durch Anwendungen einer geeigneten Leichtbaustrategie, durch Nutzung der Topologieoptimierung und durch eine neue kostenattraktive Bauweise erhebliche Gewichtseinsparungen erzielt werden können.
Das Interurban Vehicle (IUV) ist eines von drei Fahrzeugkonzepten die im Rahmen des DLR „Next Generation Car“ Projekts entwickelt werden. Das IUV ist ein komfortables, sicheres und lokal emissionsfreies Langstreckenfahrzeug mit einer Reichweite von 1000km. Maßgebendste Unterschiede zu herkömmlichen Karosserien sind hierbei die faserverbundintensive Bauweise, die fehlenden rohbaufesten B-Säulen sowie das Packaging der Wasserstofftanks im Fahrzeugboden. Dieser Vortrag fokussiert die Strukturentwicklung des Fahrzeugkonzepts. Der hohe Einsatz von Sandwichstrukturen im Fahrzeug, insbesondere im Dach und Bodenbereich, motiviert die Entwicklung von Crashelementen aus Sandwichstrukturen zur Energieabsorption bei Crashlasten. Darauf basierend werden zwei Strukturkonzepte für die Schwellerstruktur vorgestellt.
Zur Erreichung der Pariser Klimaziele müssen Nutzfahrzeuge effizienter werden – Konventionelle müssen weniger Kraftstoff verbrauchen und Elektrische müssen mehr Ware weiter transportieren. Leichtbau, besonders mit Carbonfaser-verstärktem Kunststoff (CFK), ist dabei eine Schlüsseltechnologie. CarbonTT entwickelt CFK Chassis für 3,5t-Nutzfahrzeuge, die ca. 100kg leichter als vergleichbare Stahl-Chassis sind (und dementsprechend die zu transportierende Nutzlast erhöht). Durch optimiertes Design und Fertigung in Pultrusion können die Chassis-Träger kosteneffizient und mit höchster Qualität hergestellt werden. In Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Fahrzeugkonzepte wurde eine Crash-Box entwickelt, die beim versicherungsrelevanten 15km/h Heckaufprall die geforderte Aufprall-Energie absorbiert. Eine Herausforderung ergab sich in der Entwicklung eines kostengünstigen Designs für kleine Stückzahlen, welches die Kräfte aus der Stauchung kontrolliert und ohne Beschädigung der CFK Längsträger in das Chassis einleitet und zusätzlich einen einfachen Austausch nach einem Crash ermöglicht. Über einen engen Abgleich zwischen Experiment und Numerik konnte ein Crash-Box Design mit robustem Energieabsorptionsvermögen identifiziert und experimentell nachgewiesen werden. Somit konnte die Sicherheit des CFK Chassis weiter verbessert werden. Sowohl für Einzelfahrzeuge als auch für Großflotten ergeben sich zusätzlich erhebliche Sparpotentiale – wirtschaftlich und ökologisch.
Elektrifizierte Fahrzeuge werden derzeit intensiv entwickelt und nehmen einen wachsenden Marktanteil ein. Mit diesen Fahrzeugen müssen auch neue Leichtbaukonzepte insbesondere für den Schutz der Batterie ent-wickelt werden. Diese können sich jedoch nur dann am Markt etablieren, wenn eine hochautomatisierte und flexible Herstellung sowie eine lastgerechte Auslegung möglich sind. Zurzeit sind bekannte Bauteile wie ein Unterfahrschutz oder Crashrahmen sowie Batteriegehäuse (siehe Abb1) mit einer hohen Kostenstruktur und Fertigungsaufwand verbunden. Vor diesem Hintergrund sollte eine vollautomatische Fertigungstechnologie für eine Metall-Partikelschaum-Hybridstruktur zur Substitution der teuren und schwereren Aluminiumstrukturen entwickelt werden. Die Aluminium-Technologie kann mittels klassischer Verarbeitungstechnik großserien-technisch umgesetzt werden. Allerdings ist das Potential, die Kosten weiter zu senken, begrenzt. Bei der Aluminiumherstellung treten hohe Kosten für Verschnitt und Umformung auf. Neben den Kosten (ca.30%) können auch das Gewicht (ca. 40%) und damit die Nachhaltigkeit des Fahrzeuges deutlich verbessert wer-den. Ziel des neuen Fertigungsverfahrens sind Bauteile, die in der Prozesskette des OEMs ohne Änderung des Fertigungsablaufes verbaubar sind
Die Vielfalt an Fahrzeugmodellen nimmt bezüglich Geometrie und Masse seit einigen Jahren deutlich zu. Von kleinen, leichten Stadtfahrzeugen, bis hin zu großen SUVs mit einem Leergewicht von über 2 Tonnen, nehmen die unterschiedlichsten Fahrzeuge am Verkehr teil. Diese Vielfalt bringt jedoch Problemstellungen bezüglich der Fahrzeugkompatibilität bei Fahrzeug- Fahrzeug Kollisionen mit sich. Das Risiko einer schweren Verletzung ist für den Verkehrsteilnehmer im Kleinwagen, bei einer Kollision mit einem schweren Fahrzeug, deutlich erhöht. Eine Fahrzeugstruktur wird auf das Eigengewicht und die zu erfüllenden Lastfälle ausgelegt, die bisher aber kaum nennenswerte Fahrzeug- Fahrzeug Kompatibilitätsanforderungen beinhalten. Mit aktiven Energieabsorptionssystemen wird die Kompatibilität zwischen Fahrzeugen unterschiedlicher Masse verbessert. Durchgeführte Gesamtfahrzeugsimulationen zeigen das Potential aktiver Systeme auf. Ein solches System wurde entwickelt, untersucht und beschrieben. Es wird gezeigt, dass mit aktiven Systemen die Beschleunigung auf die Insassen, sowie die Intrusion in die Fahrgastzelle, gerade auch beim Seitenaufprall, deutlich verringert werden kann.
Die zunehmende Verkürzung der Entwicklungszyklen in der Fahrzeugtechnik ist nur durch Verbesserungen und einen verstärkten Einsatz der Simulationstechnik möglich. Dennoch sind Realversuche zur Validierung zwingend erforderlich. Um ein reales Deformationsverhalten aus Crashbelastungen reproduzierbar auf dem Prüfstand abzubilden, müssen die Lasten und Einbauverhältnisse im Komponentenversuch ausreichend genau denen im Gesamtfahrzeug entsprechen. Nur so kann in einem frühen Entwicklungsstadium Crashverhalten validiert und kaum berechenbaren Bauteile abgestimmt und optimiert werden. Ein Vorgehensmodell zur Konzeption und Auslegung geeigneter Prüfaufbauten wurde entwickelt. Die Validierung des Vorgehensmodells erfolgte anhand der Auslegung und Umsetzung eines Türprüfstandes für einzelne Fahrertüren mit Belastungen in Anlehnung an die Seitenaufprall-Prüfvorschrift ECE-R 95. Mit Intrusionswerten eines Gesamtfahrzeugversuches als Referenz wurde der Nachweis erbracht, dass trotz starker Abstraktion der Kinematik eine gute Übereinstimmung der Enddeformation erreicht werden kann. Die Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus der Entwicklung des Vorgehensmodells auf die Analyse und Entwicklung neuartiger Fahrzeugstrukturen wurde an der Technologie der hybriden Träger aufgezeigt.
Beim Fügen wird der Stoffzusammenhalt vermehrt (ebenso beim Beschichten). Die Werkstücke werden also miteinander verbunden (oder erhalten eine fest anhaftende Oberflächenschicht). In der Hauptgruppe 4 Fügen nach DIN 8580 sind die wichtigsten Fügeverfahren das Schweißen, Löten und Kleben. Beim Schmelzschweißen werden die Fügeflächen angeschmolzen. Meist wird mit einem Schweißzusatz gearbeitet, eine äußere Kraft wird nicht angewendet. Beim Pressschweißen dagegen wirkt eine äußere Kraft und es findet eine plastische Verformung statt. Dabei wird ohne Schweißzusatz gearbeitet. Das Löten ist ein Fügeprozess, bei dem die zu verbindenden Teile nicht aufgeschmolzen werden. Es entsteht (wie beim Schweißen) eine nicht lösbare Verbindung durch das Aufschmelzen des Lotes als Zusatzwerkstoff. Beim Kleben wird die Verbindung von Fügeteilen durch eine dünne Klebstoffschicht erreicht. Die Festigkeit hängt von der Eigenfestigkeit der Klebstoffe ab (Kohäsion) sowie von den Bindekräften zwischen Klebstoffschicht und Fügeteiloberfläche (Adhäsion).
Fahrzeugingenieure in Praxis und Ausbildung benötigen den raschen und sicheren Zugriff auf Grundlagen und Details der Fahrzeugtechnik sowie wesentliche zugehörige industrielle Prozesse. Diese Informationen sind in der aktuellen Auflage systematisch und bewertend zusammengeführt. Neben der Berücksichtigung der aktuellen Fortschritte „klassischer“ Automobile wird ganz besonders auf die rasanten Entwicklungen für Elektro- und Hybridantriebe eingegangen. Die neuen Konzepte beeinflussen einen Großteil aller Subsysteme von Fahrzeugen und damit fast alle Teilkapitel vom Fahrzeugpackage über die Bordnetze und die Sicherheit bis hin zu den Anforderungen an das Werkstattpersonal. Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt ist die Zusammenführung von aktiver und passiver Sicherheit (integrale Sicherheit) und die daraus folgenden neuen Systeme. In der 7. Auflage wurden Neuerungen zu Plug-in sowie Range Extender eingearbeitet. Die Autoren sind bedeutende Fachleute der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie; sie stellen sicher, dass Theorie und Praxis vernetzt bleiben.
Der Inhalt
Gesetzgebung/Normen - Aerodynamik - Klimatisierung - Design - Akustik - Package - Neuartige Antriebe – Ottomotor - Dieselmotor - Aufladesysteme - Kraftübertragung - Treibstoffe - Karosserie - Fahrzeuginnenraum - Fahrwerk/Auslegung - Elektrik/Elektronik/Software - Bordnetz - EMV - Beleuchtung - Fahrerassistenzsysteme - Werkstoffe - Fahrzeugsicherheit - Infotainment/Multimedia - Simultaneous Engineering - Simulationstechnik - Sensorik - Versuchstechnik - Instandhaltung - Rennfahrzeuge
Die Zielgruppen
Fahrzeug- und Systemingenieure in Praxis und Ausbildung
Studierende der Kraftfahrzeugtechnik
Fachleute in Gesetzgebung, Behörden, Verbänden, Überwachung, Versicherungen
Professoren/Dozenten an Hoch- und Fachhochschulen mit Schwerpunkt Kraftfahrzeugtechnik
Fachjournalisten
am Technologietransfer aus dem und in dem Automobilbau interessierte FachleuteLehrer und Meisterschüler des Kraftfahrzeughandwerks
Die Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Hans-Hermann Braess, ehemaliger Forschungsleiter von BMW, ist Honorarprofessor an der TU München, TU Dresden und HTW Dresden.
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert, ehemaliger Forschungs- und Entwicklungsvorstand der Volkswagen AG inklusive Einkaufsstrategie, ist geschäftsführender Gesellschafter der WiTech Engineering GmbH, Honorarprofessor der TU Braunschweig und u. a. Mitglied im wissenschaftlichen Beirat der MTZ.
Schweißen ist nach wie vor das wichtigste Fügeverfahren. Neben der unübertroffenen Wirtschaftlichkeit erlaubt es konstruktive Ausführungen, die in hohem Maße die Bedürfnisse nach Flexibilität und Gewichtsoptimierung berücksichtigen. Dieses Buch stellt alle relevanten und modernen Verfahren der Schweißtechnik vor und gibt umfassende Informationen zur anforderungs- und anwendungsgerechten Gestaltung von Schweißkonstruktionen. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und ein Kapitel zur Qualitätssicherung geben wichtige Hinweise für die Praxis. Beispiele von Schweißnahtberechnungen sind enthalten. Im Anhang befinden sich zahlreiche Einstelltabellen und umfangreiche Angaben zu Normen. In der aktuellen Auflage wurde die praxisnahe Darstellung in Text und Bildern weiter verstärkt. Auch werden Informationen beispielsweise zu Anlagekosten, zur Baustellentauglichkeit und zu Abschmelzleistungen gegeben.
Der Inhalt
Schmelzschweißprozesse - Prozesse des Pressschweißens - Löten - Metallkleben - Fügen durch Umformen - Kunststoffschweißen - Auftragschweißen und Thermisches Spritzen - Thermisches Trennen - Flammrichten - Werkstoffe und Vorgänge beim Schweißen - Anforderungs- und anwendungsgerechte Gestaltung von Schweißkonstruktionen - Grundsätze der Schweißnahberechnung im Maschinenbau - Schweißeigenspannungen und Verformungen - Darstellung und Ausführung von Schweißverbindungen - Wirtschaftlichkeitsüberlegungen - Qualitätssicherung - Gesundheits-, Arbeits- und Brandschutz - Normen und Tabellen
Die Zielgruppen
- Fachleute, die mit schweißtechnischen Fragestellungen befasst sind,
- Maschinenbauingenieure und -techniker in Konstruktion und Arbeitsvorbereitung,
- Studierende des Maschinen- und Anlagebaus sowie des Bauwesens an Fachhochschulen und Technischen Universitäten
Die Autoren
Prof. Dr.-Ing. Hans J. Fahrenwaldt lehrte an der Hochschule Reutlingen im FB Maschinenbau Werkstoffkunde, Werkstoffprüfung, Festigkeitslehre und Schweißen. Heute ist er als beratender Ingenieur tätig.
Prof. Dr.-Ing. Volkmar Schuler leitete an der FH Ulm das Schweißtechniklabor und lehrte die Gebiete Werkstoffkunde und Schweißtechnik. Er ist heute als beratender Ingenieur im Steinbeis-Transferzentrum Fügetechnik an Kunststoffen und Metallen tätig.
Dipl.-Ing. Jürgen Twrdek ist seit 1989 bei den Wieland Werken AG tätig und dort als Schweißaufsicht für die gesamte Schweißtechnik am Hauptstandort Vöhringen zuständig.
Werkstoffe und vor allem die Werkstofftechnik bleiben Schlüsseltechnologien im Automobilbau. Denn nichts, das an einem Fahrzeug dargestellt wären ist nicht auch aus Werkstoffen realisiert. So auch im Leichtbau, der als "Königsdisziplin" der Fahrzeugtechnik gesehen werden kann!
Um im Verkehr eine Reduktion von Treibhausgasemissionen herbeizuführen, werden verschiedene alternative Antriebe entwickelt. Auch bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb gilt es, den Energiebedarf beziehungsweise die CO2-Emissionen für die jeweilige Fahraufgabe weiter zu senken. Zu den Potenzialbereichen gehört neben der Effizienzsteigerung des Antriebsstrangs und der Nebenverbraucher die Reduzierung der Fahrwiderstände. Trotz der Möglichkeit, die Bremsenergie künftig zwischenzuspeichern, bleibt die Fahrzeugmasse mit drei von vier Termen in der Fahrwiderstandsgleichung die bestimmende Größe.
Am Institut für Fahrzeugkonzepte des DLR wird an Maßnahmen zur Massereduzierung durch die Anpassung von Optimierungsstrategien an die jeweilige Bauweise und deren wesentlichen Bauteilanforderungen gearbeitet. Anhand einer ausgewählten Optimierungsstrategie werden an einer Schwellerstruktur sowohl die spezifische Energieabsorption als auch die Intrusion in den Fahrgastraum verbessert.
Im übergeordneten Sinn ist unter dem Begriff „Betriebsfestigkeit“ die Eigenschaft eines Bauteils oder Produktes zu verstehen, alle innerhalb der geplanten Lebensdauer auftretenden Beanspruchungen schadensfrei zu ertragen. Zur Dimensionierung von Bauteilen oder Produkten muss also immer eine Gegenüberstellung von Beanspruchung durch äußere Lasten und Beanspruchbarkeit des Bauteils erfolgen.
Auf der Beanspruchungsseite kann es sich hierbei sowohl um statische, dauerhafte Ereignisse, um quasistatisch oder dynamisch auftretende Einzelereignisse wie auch um schwingende Beanspruchungen handeln.
Auf Seite der Beanspruchbarkeit ist fallweise zu unterscheiden, ob Risse als Schaden bzw. Ausfall zu interpretieren sind oder ob gegebenenfalls Risswachstum mit Methoden der Bruchmechanik zu beurteilen ist. So werden häufig bei sicherheitskritischen Bauteilen technische Anrisse bereits vermieden (‚safe life‘ Auslegung), während in anderen Fällen auch deutlich erkennbare Risse akzeptiert werden können, solange sichergestellt ist, dass es nicht zu kritischem Risswachstum kommt (‚fail safe‘ Auslegung).
Für die Entwicklung von Kraftfahrzeugen stellt dies eine enorme Herausforderung dar, da allen komplexen Belastungssituationen, beginnend bei der Produktentstehung in der Fabrik bis hin zu den verschiedensten sinnvollen und teilweise auch nicht sinnvoll erscheinenden Nutzungssituationen im Produktbetrieb, Rechnung zu tragen ist.
Eine Einteilung der Fertigungsverfahren ist in der DIN 8580 allgemeingültig beschrieben. Fertigungsverfahren werden in sechs Hauptgruppen eingeteilt. Jede Hauptgruppe basiert auf spezifischen Merkmalen. Im Falle einer Änderung der Form wird der Stoffzusammenhalt beibehalten, vermindert oder vermehrt (vgl. Tab. 7.1).
Die in folgenden Abschnitten beschriebenen Fertigungsverfahren finden sich zum Beispiel in den Hauptgruppen
1 Urformen – 1.1 Urformen aus dem flüssigen Zustand – 1.1.2 Druckgießen
1 Urformen – 1.2 Urformen aus dem plastischen Zustand – 1.1.4 Strangpressen (Extrudieren)
beziehungsweise
2 Umformen (DIN 8582) – 2.2 Zugdruckumformen (DIN 8581-1) – 2.2.2 Tiefziehen (DIN8584-3)
2 Umformen (DIN 8582) – 2.4 Biegeumformen (DIN 8586) – 2.4.2 Biegen mit drehender Werkzeugbewegung – 2.4.2.1 – Walzbiegen – 2.4.2.1.4 Walzprofilieren
Andere Verfahren wie z. B. wirkmedienbasierte Umformverfahren, Schmieden, Kaltfließpressen, Semi-Solid-Gussverfahren (Thixomolding), Thixoschmieden usw. können je nach Belastungs- bzw. Verfahrensweise eingeordnet werden.
Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung flächiger Blechformteile ist das Tiefziehen. Der reale Umformvorgang ist aber in der Regel kein reines Tiefziehen, sondern eine Kombination mit Streckziehen und lokalen Biege- bzw. Stauchprozessen.
Das Tiefziehen definiert sich als Prozess, in dem ein Blechzuschnitt zu einem Hohlkörper (Erstzug) oder ein Hohlkörper in einen anderen Hohlkörper mit geringerem Umfang (Weiterzug) umgeformt wird. Eine Veränderung der Blechdicke ist nicht beabsichtigt [1].
Fahrzeugfrontstrukturen leisten einen wesentlichen Beitrag für die Sicherheit heutiger Fahrzeuge. Im Falle eines geraden oder schrägen Frontalunfalls wandelt die vor der Stirnwand liegende Fahrzeugstruktur - meist durch elastische und vor allem plastische Deformation - Bewegungsenergie und verzögert dadurch das Fahrzeug und die Insassen. Bei diesem Vorgang wird die Struktur durch weitere, im Vorderwagen platzierte Komponenten, wie z. B. dem Verbrennungsmotor, unterstützt (Blockbildung). Alternative Antriebsvarianten führen zu deutlichen Änderungen im Bereich der Bauraumbelegung. Daher wird die Auslegung der Vorderwagencrashsysteme durch zusätzliche antriebssystembedingte Parameter, wie z. B. geänderter Blockbildung, und Änderungen bei der Verteilung von Massen im Fahrzeug, zunehmend komplexer. Die Reduzierung von Abhängigkeiten zwischen Antriebsart, -architektur und dem Crashverhalten eines Vorderwagens würde die für Anpassungsarbeiten an der Fahrzeugstruktur entstehenden Entwicklungs-, Herstellungs- und Logistikaufwendungen signifikant verringern. Crashmodulare Eigenschaften der zu entwickelnden Bauweise sollen die kostengünstige Anpassung des Crashverhaltens mit minimierten Ver-änderung der eigentlichen Vorderwagentragstruktur ermöglichen. Die Arbeiten im Rahmen dieser Dissertation beschäftigen sich mit der Entwicklung einer neuartigen Fahrzeugvorderwagenstruktur, mit dem Ziel, durch Einsatz geeigneter Energieabsorptionselemente und Umsetzung neuer Bauweisenkonzepte, die oben erwähnten crashmodularen Struktureigenschaften zu erreichen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Bauteilen welche im Bereich des Vorderwagens die Hauptfunktionen „Energieabsorption“ und „Struktursteifigkeit“ erfüllen. Wichtiges Element in der geplanten wissenschaftlichen Arbeit ist die Erweiterung des Verständnisses über funktionale Zusammenhänge zwischen Struktursteifigkeit und Crashenergieabsorption in Vorderwagenstrukturen. Mit Hilfe der numerischen Simulation werden Konzepte und Konstruktionen im Hinblick auf die gewünschten Eigenschaften optimiert. Für die Energieabsorption gilt es, den bestgeeigneten adaptierbaren Energieabsorptionsmechanismus zu identifizieren und durch ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen zu bewerten. Mit Hilfe von statischen und dynamischen Versuchen an Teilstrukturen und Vorderwagenbaugruppen werden Simulationsergebnisse verifiziert und Funktionsnachweise erbracht.
Leichtbau bleibt eine Königsdisziplin im Fahrzeugbau. Das Buch folgt der Logik, wonach Leichtbau-Innovationen vor allem mit der integralen Betrachtung von Bauweisen, Werkstoffeigenschaften und Herstellverfahren möglich und weitere Effizienzpotenziale zu erschließen sind. Ein Schwerpunkt des Buches ist demgemäß die Darstellung relevanter Leichtbau-Werkstoffe mit ihren technischen Eigenschaften und ihren Entwicklungspotenzialen. Dies gliedert sich hier vorrangig in die Werkstoffgruppen Stähle, Leichtmetalle, Keramiken und Kunststoffe sowie Hochleistungs-Faserverbundmaterialien. Mit Werkstoff- und Halbzeugtechnologien für den Leichtbau werden innovative Fertigungs-, Bauteil- und Oberflächenverfahren adressiert. Die Betrachtung von Leichtbau im Entwicklungsprozess der Fahrzeugindustrie und der Leichtbau-Konzepte für alternative Fahrzeug-Konzepte sollen in die Zukunft automobiler Mobilität führen.
Inhalt
Leichtbau als Treiber von Innovationen - Technische Motivation - Die Leichtbaustrategien - Anforderungen an den Leichtbau im Fahrzeug - Anforderungsmanagement und Werkzeuge für Leichtbauweisen auf dem Weg zum Multi-Material-Design - Die Leichtbauwerkstoffe für den Fahrzeugbau - Werkstoff- und Halbzeugtechnologien für Leichtbauanwendungen - Recycling und Life-Cycle-Assessment - Leichtbaukonzepte für heute und morgen
Zielgruppen
- Ingenieure in der Forschung, Entwicklung und Produktion der Fahrzeugindustrie
- Techniker und Ingenieure in der Automobil-/Zulieferindustrie und bei Dienstleistern
- Produktverantwortliche in der Leichtmetall-, Kunststoff- und Stahlindustrie
- Studierende an Hochschulen sowie Universitäten im Bereich Werkstoffe und Bauweisen in der Fahrzeugtechnik
Der Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich arbeitet am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart als Direktor des Instituts für Fahrzeugkonzepte und lehrt an der Universität Stuttgart sowie an der Technischen Universität Berlin.
Three new vehicle concepts in the field of transport are being developed at the German Aerospace Center (DLR) as part of the Next Generation Car META-project: Urban Modular Vehicle, Safe Light Regional Vehicle and Interurban Vehicle. In the submitted contribution, the focus lies on the development and application of a method for determining the vehicle concept and body in white construction for the Urban Modular Vehicle.
With the electrification of cars, there is an opportunity to redesign the vehicle concepts and architectures of future vehicles. In the development of electric vehicles, the integration of new components (e.g. the volume and mass-intensive batteries), provide increasing demands on the overall vehicle design and vehicle packaging.
By matching the arrangement and the integration of components for the Urban Modular Vehicle, a functionally integrated and modular body structure design is being developed. In the structural development phase, the methodological approach, which describes the complete development, employs various optimisations for the load path aligned design and modular structure design. The body structure concept from the Institute of Vehicle Concepts in Stuttgart is based on the purposeful use of different materials for the purposes of multi-material construction and can show advantages over conversion designs.
Kraftfahrzeuge weisen bereits heute ein hohes Maß an Sicherheit für Insassen und für äußere Verkehrsteilnehmer (z. B. Fußgänger und Radfahrer) auf; eine weitere Verbesserung stellt die Automobilindustrie vor große Herausforderungen, die nur durch eine Ausweitung der Zielsetzung und eine enge Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Zulieferern und Entwicklungsdienstleister einer gemeinsamen Lösung zugeführt werden können.
Während sich die Biomechanik in der aktiven Fahrzeugsicherheit wie auch in der Arbeitswissenschaft auf ergometrische (zu verrichtende Arbeit) und dynamometrische (aufzubringende Betätigungskraft) Aspekte und ihre Einflussfaktoren konzentriert, behandelt die Biomechanik im Zusammenhang mit der passiven Sicherheit die mechanische Belastbarkeit des lebenden Körpers oder von Körperteilen mit dem Ziel, die Verletzungsmechanik bei Unfallopfern zu analysieren und objektive Kriterien zur Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Verletzungen bereitzustellen. Unter Biomechanik versteht man also die Beschäftigung mit dem mechanischen Verhalten des lebenden Körpers bzw. seiner Bestandteile, d. h. es werden hier statische und dynamische Zustände und Prozesse analytisch beschrieben.
Cardiff University students have used the freedom of the Formula Student rules to create an innovative chassis that combines a high performance with an efficient manufacturing process. All aluminium sandwich panels were pre-cut using computer numerical control routing, which is a rapid low-cost operation that produced highly accurate results. Assembling the monocoque consisted of folding and bonding panels along pre-routed lines and reinforcing the relevant joints. This required no specialist tools or equipment and was a rapid non-labour-intensive operation. The key design features, the manufacturing techniques, and the results of experimental and computational performance testing are presented here. This chassis construction technique is the result of research and development for seven years over six generations of Formula Student race cars.
Quasi-static compressive testing of extruded aluminum alloy AA6061-T6 round and square cross-sectional tubular specimens was completed to investigate the crush characteristics of these structural members under a cutting deformation mode by using a specially designed cutting tool. Results from the experimental tests showed that the cutting deformation mode of the round and square tubes exhibited high crush force efficiencies (CFE) of 0.95 and 0.81 respectively. In comparison, CFE of round specimens that experienced progressive folding and global bending deformation modes were observed to be 0.66 and 0.20 respectively and CFE of square specimens that underwent global bending were found to be 0.22. An almost constant cutting force was observed for the round tubes in the cutting deformation mode, while a slight increase in the cutting force was observed for the square tubes under the same deformation mode. The increase in cutting force for the square tubes was observed to occur primarily due to contact arising between the cutting tool and tube sidewalls and to a lesser extent due to bending of the petalled side walls. For the round tubes, contact between the cutting tool and sidewalls as well as bending of the petalled side walls was not as significant and resulted in a more consistent cutting force. For both the 200 mm and 300 mm length tubes the total energy absorption for the round and square tubes was observed to be 6.11 kJ and 4.31 kJ respectively. The energy absorption was observed to be independent of tube length.
Zur Zeit verwendete Karosserien in Stahl-Schalen-Bauweise bestehen vorwiegend aus durch Punktschweißen gefügten Blechschalen. Solche Strukturen können im Crashfall, bei einer konzentrierten Lasteinleitung wie dem Pfahlcrash, zu hohen Intrusionen führen, auch da die Blechschalen konzeptbedingt zum Beulen und Falten neigen.
Mit dem Ziel, das Crashverhalten von Karosserien bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung zu verbessern, wurden die Vorteile von Trägerstrukturen in Metall-Hybrid-Bauweise untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Verbesserung der gewichtsspezifischen Crashperformance, insbesondere bei einer nahezu punktuellen Last, wie sie beispielsweise beim Pfahlcrash auftritt. Durch die Verwendung möglichst leichter Kernstrukturen im Inneren metallischer Trägerstrukturen wurde das Kollabieren der Metallschalen erfolgreich verhindert. Somit entstehen Strukturen, die im Crashfall nicht lokal versagen, sondern sich als Ganzes verformen, und damit in größeren Bereichen Energie absorbieren. Dies führt zu einer besseren Materialausnutzung und damit zu einer Erhöhung der gewichtspezifischen Energieabsorption.
Eine wichtige Rolle für die Funktion der Energieabsorption spielt die Wahl geeigneter Kernstrukturen und -werkstoffe, da diese nicht nur eine möglichst hohe Druckfestigkeit bei möglichst geringem Gewicht aufweisen müssen. Sie müssen vielmehr auch während der Verformung der Struktur ihre Stützwirkung innerhalb des Profils beibehalten. Als Werkstoffe für die Profilschalen kommen vor allem Metalle mit hoher gewichtsspezifischer Festigkeit und Dehnbarkeit wie z.B. Edelstähle, neu entwickelte Manganstähle, aber auch Aluminium-Legierungen mit hoher Dehnbarkeit in Frage.
Im Vortrag werden Versuchsergebnisse zu Verformungsverhalten und Energieabsorption von mit geeigneten Kernen verstärkten Trägerstrukturen präsentiert. An generischen Bauteilen konnte eine Steigerung der gewichtsspezifischen Energieabsorption auf das dreifache einer hohlen Struktur erzielt werden. Außerdem werden weiterführende konzeptionelle Ansätze für die Berechnung und Integration solcher Strukturen in Karosserien vorgestellt.
The design of vehicle front structures for crashworthiness is nowadays commonly based on a series of rigid subsystems that constitute a nearly undeformable survival cell for the passengers, and deformable subsystems able to efficiently dissipate the vehicle kinetic energy. During frontal crash, which is by far the most dangerous impact situation, the front rails represent the main deformable components aimed to dissipate the kinetic energy of the vehicle, therefore their behaviour is crucial to obtain good vehicle performance, with stable and controlled energy dissipation. The design of the front rail, usually consisting of a thin-walled prismatic column, requires definition of the geometry, that is, of the shape and dimensions of the cross section, of the thickness of the material, and of the material itself.The results of an experimental programme aimed to study the progressive collapse behaviour of some thin-walled closed-section structural sections made from deep-drawing steels and joined with different joining systems are reported. Solutions characterized by different continuous joining technologies, non-conventional for automotive constructions, are examined and compared to the usual spot-welding solution. Different types of adhesives (acrylic and epoxy) and laser-welding are considered. Furthermore, since the collapse is influenced by the loading rate and the materials used in this application are known to be strain-rate sensitive, static and impact loading conditions were examined.The obtained results demonstrate that continuously joined structures are at least equivalent to and generally better than spot-welded structures, and have further advantages typical of these joining solutions (higher stiffness and fatigue strength, improved vibration response, especially in the case of adhesive joints).
Motivation for (more) magnesium in the automotive industry — research strategies for bringing about a “new age of magnesium” by means of the vehicle modules drive train, interior, body and chassis — use of realised and potential future magnesium components, differentiated according to the time frame and conceivable likelihood of realisation — R&D activities for the implementation of the predicted use of magnesium illustrated by example components and projects.
Modul Passive Sicherheit, Wirkmechanismen im High Speed Crash
- V Lange
Updated Review of Potential Test Procedures for FMVSS No. 208. Office of Vehicle Safety Research
- W Hollowell
Entwicklung und Bewertung struktureller Maßnahmen zur Verbesserung des Crash Verhaltens beim small overlap Test
- Torsten Schlawitz
of Transportation Nat. Highway Traffic Safety Administration
- U S Dep
Barrierentest und Anforderungen an die Kompatibilität von Pkw
- R Zobel
Kompatibilität im Frontal- und Seitenaufprall, Audi Q7 gegen Fiat 500 in ATZ 111
- R Kolke
- V Sander
- R Ambos
Die Leichtbaustrategien
- G Ellenrieder
- T Gänsicke
- J Sandiano
- M Goede
- H G Herrmann
Vorgehensmodell zur Grundkonzeption eines Fahrzeugkonzepts und Entwicklung neuartiger kraftflussoptimierter Karosseriestrukturen für elektrifizierte Fahrzeuge; Dissertation, DLR-Forschungsbericht
- M Münster
Vorrichtung zur Stoßenergieaufnahme durch plastische Verformung für Kraftfahrzeuge
- R Straube
- F Zarske
- R Brindöpke
- L Röttger
Ultrasim - Energy absorbing structures made of Ultramid, BASF, Creation Center
- A Wuest
Aktive Energieabsorber - Verbesserte Sicherheit durch intelligente Fahrzeugstrukturen
- Marc Rohrer
- Friedrich
- Horst Und Beeh
- Ralf Elmar Und Sturm
- Stephan Und Lapoehn
Werkstoffe und Bauweisen ermöglichen neue Fahrzeugkonzepte
- H E Friedrich
- V Schindler
- I Sievers
CFK für hohe Stückzahlen
- T Wolff
Nachhaltiger Einsatz von Werkstoffen für die Karosserie, 11. Fachtagung WerkstoffPlusAuto
- T Behr
Vision Plastic Car Body
- M Bechthold
FVK-Anwendungen bei Daimler - Lessons learned
- J Krüger
- N Dölle
Anforderungen an den Werkstoff Stahl zur Umsetzung von Leichtbau in der Großserienfertigung von Volkswagen. VDI-Konferenz Stahl im PKW, 23
- J Hillmann
Karosserie und Exterieur 4er Gran Coupe´
- A Kaltenbach