Leichtbau in der Fahrzeugtechnik

Mobilität ist ein Grundbedürfnis der Menschheit. Dies gilt seit dem Beginn der Menschwerdung in Afrika und der kulturellen Entwicklung in allen Erdteilen und setzt sich kontinuierlich fort.

Weltweit stehen wir allerdings vor Herausforderungen, deren erfolgreiche Bewältigung die Voraussetzung für das zukünftige Wohlergehen der Menschen sein wird. Durch die wachsende Weltbevölkerung und den im Mittel steigenden Wohlstand entsteht ein deutlicher Bedarf an mehr Mobilitätsleistung und neuen Mobilitätsmustern. Die absehbare Endlichkeit der fossilen Energien, wie sie derzeit noch einen Großteil unserer Verkehrsleistungen ermöglichen, zwingt zu neuen Lösungen bei den Fahrzeugkonzepten, ihren Antrieben und Energieträgern. Darüber hinaus besteht heute weitgehend Konsens, dass die Freisetzung der sogenannten Treibhausgase – insbesondere das bei Verbrennungsprozessen entstehende CO₂ – zu den beobachteten Klimaveränderungen in der Erdatmosphäre beiträgt. Leichtbau bietet dafür Lösungsstrategien!

Das Gewicht und dessen Verteilung im Fahrzeug sind wichtige Faktoren hinsichtlich Fahrverhalten und Verbrauch. Diese Einflüsse wirken sich besonders in Bezug auf die Agilität des Fahrzeugs, ebenso auf die Sicherheit wie auf die Zuladung und die Gesamtenergiebilanz aus. In diesem Kapitel wird zunächst auf die Fahrwiderstände eingegangen und die Frage, welchen Einfluss die Gewichtsreduktion auf diese hat. Ein weiterer Aspekt sind die verschiedenen Fahrzyklen sowie der reale Gebrauch eines Fahrzeugs durch den Kunden. Folgend werden die positiven und negativen Eigenschaften eines leichteren Fahrzeugs bezüglich Fahrdynamik dargestellt. Die Betrachtung und Umkehr der Gewichtsspirale schließen das Kapitel ab.

Es wird der Unterschied zwischen Leichtbaustrategien, Leichtbauprinzipien und Leichtbauweisen erläutert und jede Kategorie anhand von Beispielen erklärt. Eine ganzheitliche Anwendungsstrategie wird vorgestellt.

Die Leichtbaustrategien Stoffleichtbau, Fertigungsleichtbau, Formleichtbau, Konzeptleichtbau und Bedingungsleichtbau werden beschrieben und mit vielen Beispielen aus der Fahrzeugentwicklung verdeutlicht.

Es wird beschrieben, warum die Integration der Leichtbauziele in dem Produktentstehungsprozess der Fahrzeughersteller wichtig ist und wie dieses gelingt. Anstatt einzelne Leichtbaummaßnahmen vorzunehmen, ist es zielführender, Leichtbauziele in die Unternehmens- und Markenstrategie zu verankern.

In einem Fahrzeug gibt es Zonen, die für Leichtbaumaßnahmen interessanter sind als andere. Diese werden aufgezeigt und es wird auf die Technologieauswahl eingegangen. Der Unterschied zwischen taktischem und operativem Leichtbau und deren Einsatz in der Fahrzeugentwicklung wird beschrieben.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Untersuchungen zu Gesamtenergiebilanzen schließen das Kapitel ab.

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.

Durch die jahrhundertelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Fahrzeugen entsteht das Auto, wie es heutzutage auf unseren Straßen zu sehen ist. Die vermeintlichen Erwartungen des Fahrers und der Passagiere an ein Fahrzeug werden häufig durch die Summe aller Anforderungen beschrieben, die andere Fahrzeuge in der Vergangenheit erfüllt haben. Das Ergebnis ist eine schrittweise Verbesserung in jeder neuen Fahrzeuggeneration. Durch die Veränderung wichtiger Fahrzeugkomponenten, wie z. B. Ersetzen des klassischen Verbrennungsmotors durch einen Elektromotor oder die Einführung neuer Werkstofftechnologien, werden die Anforderungen und die Beziehung zwischen ihnen erheblich beeinflusst [1]. Das Überdenken traditioneller Fahrzeugkonzepte erfordert auch eine Neubewertung der in der Vergangenheit gewachsenen Anforderungskollektive. Außerdem müssen in einer globalisierten Welt die Unterschiede und Unsicherheiten verschiedener Märkte und Regierungen in einem gemeinsamen Modell abgebildet werden, damit Einflussfaktoren (Fahrzeug Entwicklungserfahrung, Systemkomponenten, Anforderungen, Zukunftsszenarien) beschreibbar werden und der Entwickler eine Methode und ein Werkzeug erhält, um fundierte Entscheidungen zu treffen.

Der Werkstoff Stahl hat sich bei der Konstruktion von Automobilen insbesondere aufgrund seiner hervorragenden Kombination von Festigkeit und Duktilität in Verbindung mit einer hohen Verfügbarkeit und relativ günstigen Herstellungskosten bewährt. Jedoch sind die Anforderungen an die Auslegung von Automobilen hinsichtlich Leichtbau, Sicherheit und Umweltschutz in den letzten Jahren stetig gestiegen, wovon auch der Werkstoff Stahl betroffen ist. Impulse hierfür gaben vor allem veränderte gesetzliche Rahmenbedingungen wie die Auflagen zur Reduzierung der CO₂-Emissionen, erhöhte Energiekosten und damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs genauso wie die Erhöhung der Recyclingraten für einen nachhaltigen Ressourceneinsatz. Darüber hinaus stiegen die Komfortansprüche des Kunden genauso wie die Ansprüche an einen hohen Sicherheitsstandard. Diese zum Teil widersprüchlichen Anforderungen können nur über den Lösungsansatz Leichtbaukonzepte erfüllt werden. Eine zentrale Rolle für den wirtschaftlichen Automobilleichtbau spielen dabei insbesondere die höher- bis höchstfesten Stähle.

Aus diesem Grund konzentrierte sich seit Mitte der 90er die Entwicklung auf neue Stahlgüten mit gesteigerter Festigkeit und verbesserter Umformbarkeit (Bake-Hardening-Stähle, höherfeste IF-Stähle, Mehrphasenstähle), welche inzwischen im Automobilbau etabliert sind. Andere Entwicklungen wie HSD^®-Stähle (siehe Abschn. 6.1.9) stehen kurz vor dem Einsatz.

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

beziehungsweise

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].

Leichtbauwerkstoffe sind im Automobilbau seit geraumer Zeit im Einsatz. Im Zuge der verstärkten Bemühungen, leichte und somit potenziell sparsamere Fahrzeuge zu entwickeln, wird verstärkt über die Vor- und Nachteile einzelner Leichtbaumaterialien diskutiert. Die Masse eines Fahrzeugs ist ein wichtiger Hebel, Kraftstoffeinsparungen zu erzielen. Ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch führt nicht nur zu einer Schonung fossiler Ressourcen, sondern ist auch mit einer Verminderung der Emissionen aus Verbrennungsprozessen verbunden. Die im Automobilleichtbau verwendeten Werkstoffe können sich aus ökologischer Sicht in ihrer Herstellung und Verwertung maßgeblich von herkömmlichen Materialien unterscheiden. In der Regel sind Leichtbaumaterialien mit einem höheren Produktionsaufwand im Vergleich zu konventionellen Materialien wie Stahl verbunden, was zu einer Verschiebung von Emissionen aus der Nutzungsphase in die Herstellungsphase eines Bauteils führt. Um Aussagen über den ökologischen Vorteil eines Leichtbauteils treffen zu können, reicht es daher nicht aus, nur die Kraftstoffeinsparung in der Nutzungsphase eines Fahrzeugs zu betrachten. Vielmehr muss eine ganzheitliche Betrachtung über den gesamten Lebensweg eines Fahrzeugs und der für Herstellung und Betrieb erforderlichen Vorprozesse erfolgen.

Um der Gefahr zu begegnen sich mit Utopien zu beschäftigen, ist es notwendig, sich auf ein gemeinsames Verständnis bezüglich der wichtigsten Randbedingungen für die zukünftigen Fahrzeugentwicklungen zu einigen.

Eine Orientierung hierfür könnten folgende Annahmen bieten:

Legt man diese Prämissen zugrunde, ergeben sich für die OEMs folgende Herausforderungen: