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Werkstoffe und Bauweisen in der Fahrzeugtechnik

  • 2024
  • Book
Editors
Horst E. Friedrich
Gerd Müller
Book Series
ATZ/MTZ-Fachbuch
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Part of
Springer Professional "Business + Economics & Engineering + Technology"
Springer Professional "Engineering + Technology"
insite
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About this book

Das Buchkonzept folgt der Logik, wonach fahrzeugtechnische Innovationen vorrangig durch eine integrale Betrachtung der drei Bereiche Werkstoffe (deren Eigenschaften), Bauweisen (der Art der Konstruktion) und Verfahren (der Herstellung, Verarbeitung und Montage) entstehen können. Folglich kommt Werkstoffen und Bauweisen eine querschnittliche Systemrolle in der Produktentstehung von Fahrzeugen zu.
Das Buch beruht in weiten Kapiteln auf den Vorlesungen des Herausgebers an der Universität Stuttgart und der Technischen Universität Berlin sowie in ausgewählten, aktualisierten Teilen auf seinem ATZ/MTZ-Fachbuch Leichtbau in der Fahrzeugtechnik.
Dem starken Anwendungsaspekt wird durch bewährte und neuartige, zukunftsfähige Werkstofflösungen Rechnung getragen. So werden aktuell auch veränderte Paradigmen zur Transformation in der Automobilindustrie, die Rolle von automatisierten, modularen und elektrifizierten Fahrzeugkonzepten adressiert. Auchwird schließlich die mögliche Evolution von Werkstoff- und Bauweisen-Systemen in die Zukunft skizziert.

Table of Contents

Frontmatter
1. Werkstoffe als Treiber von Innovationen
Zusammenfassung
Die technischen Anforderungen an Fahrzeuge aller Art sind in den letzten Jahren immer komplexer und anspruchsvoller geworden. Neben Endlichkeit und Schutz der Ressourcen sorgen die notwendigen Reaktionen auf den Klimawandel inzwischen für eine bislang beispiellose Transformation in der Automobilindustrie. Dies betrifft auch die Frage, wie und mit welchen Werkstoffen in allen Bereichen des Fahrzeugs, vorrangig im Antriebsstrang, die Komponenten und Subsysteme zu bauen sind. Werkstoffe machen vielfach den Weg frei, waren und sind Treiber für konzeptionelle Fortschritte.
Geschildert wird, was bisher in der Schlüsseltechnologie „Werkstoffe und Bauweisen“ geleistet wurde und wie sich Materialanteile in Karosserie, Fahrwerk und Antrieb entwickelt haben. Aus den bisherigen sowie den künftigen Zielfeldern und Technikstrategien für das Fahrzeug wird versucht, die veränderten Anforderungen mit den Eigenschaften, den physikalischen und mechanischen Stoffgrößen und betrieblichen Kenngrößen der Werkstoffe zu hinterlegen.
Horst E. Friedrich, Gerd Müller
2. Allgemeine Bauweisen
Zusammenfassung
Der Konstrukteur kann in der Regel auf mehrere und verschiedene Bauweisen zurückgreifen. Sie beschreiben allgemein die vorzunehmende Platzierung von Konstruktionselementen in einem Bauteil oder Teilsystem einer Struktur. Damit wird auch die Auswahl geeigneter Werkstoffe hinsichtlich der gewünschten bzw. notwendig zu erreichenden Eigenschaften vorgegeben.
Bei der Entscheidung für eine Bauweise im Automobilbau ist zu berücksichtigen, dass die Wahl einer Bauweise von vielen Parametern bestimmt wird, zum Beispiel von vorhandenen Fertigungsverfahren und Fabrikstrukturen, von der Verfügbarkeit und Rezyklierbarkeit der Werkstoffe oder insgesamt einer gewünschten Unternehmensstrategie. Allen Bauweisen im Fahrzeugbau ist gemein, dass sie – orientiert am jeweiligen Marktsegment und den Stückzahlen – betriebswirtschaftlich attraktive Lösungen ermöglichen müssen.
Horst E. Friedrich, Gerd Müller
3. Relevante Werkstoffe und Werkstofftechniken im Fahrzeugbau
Zusammenfassung
Wie alle technischen Produkte nutzten auch Fahrzeuge in allen ihren Bauteilen die Fähigkeiten von Werkstoffen, die in der jeweiligen Epoche verfügbar, geeignet und auch fortschrittlich waren. Das letzte Adjektiv führt zur Treiberrolle von Werkstoffen und Bauweisen, die vielfach zu großartigen Innovationen neuer Fahrzeugkonzepte geführt haben.
Gegeben wird hier ein Überblick zu den relevanten Werkstoffen, den klassischen metallischen Werkstoffen – Stahl, Aluminium, Magnesium und für ausgewählte Bereiche Titan – und dem weiten Feld der Polymere. Letztere werden auch als faserverstärkte Hochleistungskunststoffe oder hinsichtlich spezieller Entwicklungen für die Elektromobilität betrachtet. Oberflächen und Schichten arrondieren die Wirkung von Struktur- und Funktionswerkstoffen.
Manuel Otto, Horst E. Friedrich, Dan Dragulin, David Klaumünzer, Ashley Stone, Oliver Schauerte, Josef R. Wünsch, Klaus Drechsler, Sebastian Strauß, Jürgen Becker, Helmut Rudigier, Patrick Keil
4. Leichtbau
Zusammenfassung
Leichtbau ist im Fahrzeugbau eine Königsdisziplin! Wie im Flugzeugbau stellte die Verringerung der bewegten Massen ein Primat auch für die automobilen Produktentwicklungen der letzten hundert Jahre dar. Getrieben vom Rausch zur Geschwindigkeit war und ist Gewichtsreduzierung durch Leichtbau die Voraussetzung zum Erfolg, der Rennsport ist ohne Leichtbau nicht zu denken.
In der Zeit der Massenmotorisierung des Pkws und vor allem nach dem 2. Weltkrieg sind Energieeffizienz, also niedriger Verbrauch, und in unserer Zeit damit auch die Verringerung der CO2 -Emissionen in der Rangliste für Leichtbau nach oben gerückt. Zwar war die Verbesserung der Fahrdynamik immer ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Straßenfahrzeugen, doch gewinnt durch die Elektromobilität und die damit verbundene Kompensation von Batteriegewichten vor allem der Konzeptleichtbau erneut große Bedeutung.
Relevante, oft miteinander kombinierte Leichtbaustrategien für bewährte und neue Fahrzeugbauweisen sind Basis zur Gewichtsreduzierung.
Horst E. Friedrich, Gerd Müller
5. Bauweisen der Karosserie
Zusammenfassung
Die funktionalen Anforderungen an die Karosserie von Personenkraftwagen sind vielfältig, sie reichen von der Aufnahme aller Kräfte und Momente aus den Betriebslasten, einer ausreichenden Torsionssteifigkeit der Struktur bis zur räumlichen Aufnahme von Achs- und Antriebsmodulen. Aktuelle Bedeutung in der Transformation zur Elektromobilität hat dabei auch die Integration des Batteriekastens oder alternativer Energiespeicher.
Besonders herauszuheben bei den generellen Anforderungen ist die Fahrzeugsicherheit. Der Schutz der Insassen mit einer stabilen Fahrgastzelle, mit dem verformungsarmen Innenraum und Zonen, die eine verlässliche Crashenergiewandlung mit plastischer Verformung erlauben, gehören zu den bedeutsamsten Aufgaben von Werkstoffen und Bauweisen im Automobil.
Nicht zuletzt ist die Karosserie auch die Grundlage für Design, Mode und Anmutung der gewünschten Fahrzeugkonzepte.
All das Vorgenannte wird seit über 100 Jahren durch Konstruktionen mit verfügbaren Materialien der jeweiligen Epoche realisiert. Werkstoffe und Bauweisen bleiben auch künftig Treiber von Innovationen, ergänzend wird aus Forschungsergebnissen berichtet.
Gerd Müller, Horst E. Friedrich, Oliver Schauerte, Gerhard Kopp, Marco Münster, Josef Wünsch, Elmar Beeh, Martin Kober
6. Bauweisen des Fahrwerks
Zusammenfassung
Bauweisen und Werkstoffe für Fahrwerkskomponenten folgen der bekannten Logik von funktionalen Anforderungen und resultierenden Bauteilantworten mit optimalen Materialeigenschaften.
Für Lenker und Achsträger finden sich weitgehend die bewährten Stahl- und Aluminiumlegierungen. Bei Rädern, Reifen und Felgen kommen spezifische Materialien dazu. Interessante Lösungen mit faserverstärkten Kunststoffen sind für Leichtbaufahrwerke genannt.
Einige funktionale Anforderungen finden sich so spezifisch ausgeprägt nur im Fahrwerk. Dazu zählen z. B. Federn hinsichtlich der im Werkstoff gespeicherten elastischen Energie oder die Bremsanlage mit Werkstoffen hoher Temperaturstabilität und vorteilhaftem tribologischen Verhalten in der Bremsscheibe.
Über neuere Ergebnisse aus der Forschungsarbeit wird berichtet, sie adressieren auch Fahrzeugkonzepte mit alternativen oder elektrischen Achskonzepten und radintegrierten Antriebsmodulen.
Andreas Höfer, Horst E. Friedrich, Gerhard Kopp
7. Bauweisen des Antriebsstranges
Zusammenfassung
Wie kaum ein anderer Bereich steht der Antrieb für Leistung und Charakter eines Fahrzeugkonzeptes. Dies gilt seit dem letzten Jahrhundert für den hoch entwickelten Verbrennungsmotor, der als effizienter und mit alternativen Kraftstoffen betriebener Motor in vielen Regionen der Welt Bestand haben kann. Es gilt insbesondere für den elektrifizierten Antriebsstrang mit Batterie oder Brennstoffzelle. Zu Schlüsselmodulen für den elektrischen Antrieb und ihre Werkstoffe in Subsystemen und Komponenten wird hier berichtet.
Für alle Antriebskonzepte obligatorisch ist ein hochwertiges System für Thermomanagement und Klimatisierung.
Hinsichtlich vieler Komponenten des Antriebsstrangs und ihrer werkstofflichen Lösungen wird eingegangen auf die besonderen Anforderungen wie thermomechanisch hohe Beanspruchung, Erhöhung der Dauergebrauchseigenschaften oder Gewichtsreduzierung unter Beibehalten der statischen und dynamischen Festigkeitsanforderungen, dies alles unter teilweise hohen Temperatur- und Medieneinflüssen.
Bernd Grünenwald, Thomas Feldhege, Andreas Geyer, Matthias Türpe, Hans-Jürgen Schneider, Oliver Schauerte, Daniel Freidank, Frank Rinderknecht, Lars Heber, Martin Kober, Werner Kraft, Simone Ehrenberger
8. Paradigmenwechsel für die Werkstoffwahl
Zusammenfassung
Die ganzheitliche Bilanzierung oder Ökobilanz ist ein obligatorisches Werkzeug auch für werkstoffliche und werkstofftechnologische Wahlentscheidungen in der Fahrzeugtechnik geworden. Sie schließt entlang des Produktlebens alle vor- und nachgelagerten Prozessschritte ein – von der Gewinnung der Rohstoffe über die Bereitstellung von Halbzeugen und Komponenten bis in die Nutzungsphase des Fahrzeuges und schließlich den Schritt von Entsorgung und Recycling.
Dem wird hier vor allem beim Antriebsstrang und bei den künftigen Werkstoffsystemen für das Fahrzeug Rechnung getragen. Dazu zählen die Betrachtung von Methoden der Ökobilanz, die Bewertung ausgewählter Werkstoffe und Herstellprozesse und auch ein Blick zur Resilienz betroffener Lieferketten.
Simone Ehrenberger, Peter Saling, Manuel Otto, Jochen Engelmann, Benjamin Frieske, Sylvia Stieler
9. Werkstoffsysteme mit Zukunft
Zusammenfassung
Künftige Werkstoffsysteme werden auf das Fundament bisher bewährter und effizienter Entwicklungen gründen. Sie werden funktionsgerecht weiterentwickelt, hier werden dazu selbstregelnde Systeme oder aktiv gefertigte Bauteile skizziert. Auch neue Holzbauweisen können in ausgewählten Bereichen einen nachhaltigen Beitrag liefern. Hinsichtlich der mächtigen Transformation zur Elektromobilität werden vertieft die ausgewählten Materialien für Brennstoffzelle und Batterie vorgestellt. Auch neue Ansätze zur digitalisierten computerunterstützten Werkstoffentwicklung werden beschrieben. Modulare oder autonom fahrende Automobile weisen schließlich zu neuen Mobilitätsausprägungen und Bauweisen.
Horst E. Friedrich, Oliver Schauerte, Gerhard Kopp, Josef Wünsch, Jochen Engelmann, Daniel Freidank, Axel Gottschalk, Patrick Keil, David Heyner, Elmar Beeh, Marco Münster, Volker Grienitz
Backmatter
Title
Werkstoffe und Bauweisen in der Fahrzeugtechnik
Editors
Horst E. Friedrich
Gerd Müller
Copyright Year
2024
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-65269-5
Print ISBN
978-3-662-65268-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-65269-5

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