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Über dieses Buch

Dieses Lehr- und Übungsbuch umfasst die Grundlagen des konstruktiven Leichtbaus im Fahrzeug- und Maschinenbau. Dabei wurde besonderer Wert auf eine praxisorientierte Darstellung gelegt. Es führt methodisch in die Arbeitstechniken und konstruktiven Fragestellungen ein. Ziel des Buches ist es, besondere Prinzipien und Analogien herauszustellen, um dem Leser geeignete Problemlösungsansätze an die Hand zu geben. Auf Grund der vielen Übungsbeispiele ist es sehr gut zum Selbststudium geeignet. Viele Hinweise zur praktischen Umsetzung lassen es auch für den Ingenieur zu einem verlässlichen Ratgeber werden. In der aktuellen Auflage wurde ein Abschnitt zu Werkstoffverbünden aufgenommen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Zielsetzung des Leichtbaus

Mit der Höherentwicklung der Technik steht verstärkt die bessere Effizienz mechanischer Systeme im Vordergrund. Leichtbau gewinnt daher als Entwicklungsstrategie immer mehr an Bedeutung. Ziel ist es, unter gegebenen Randbedingungen, eine Struktur mit minimalem Eigengewicht sowie bestimmter Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu realisieren. Die damit verbundenen Probleme betreffen die Wahl einer zweckgerechten Bauweise, leichter Werkstoffe und deren Fügetechnik, einer möglichst exakten Auslegung sowie letztlich die Realisierung in einer fortschrittlichen Herstelltechnologie.
Bernd Klein

2. Problemstruktur des Leichtbaus

Wie bereits herausgestellt, kann Leichtbau kein Selbstzweck nur des Fortschritts halber sein. Aufwand und Nutzen müssen stets in einem wirtschaftlichen Verhältnis zueinander stehen, sodass Leichtbaumaßnahmen lohnend erscheinen, wie der heutige Trend zur Elektromobilität zeigt. Diesbezüglich gilt es, alle Leichtbaumaßnahmen auch unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu bewerten. Hilfreich ist hier vielfach die Erstellung eines Gewichts- und Kostenmodells, welches parameterielle Abhängigkeiten zwischen dem Strukturgewicht, den Herstellkosten und dem Nutzwert darzustellen vermag.
Bernd Klein

3. Methoden und Hilfsmittel im Leichtbau

In vielen Entwicklungsprojekten bestätigte sich immer wieder, dass Leichtbau zu den theoretischsten Disziplinen der Ingenieurwissenschaft zu zählen ist. Gewöhnlich verteilen sich die Zeitanteile bei typischen Projekten etwa wie folgt:
  • 30 % konstruktive Bearbeitung (Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten),
  • 40 % Auslegung (Dimensionierung, Optimierung),
  • 20 % experimentelle Absicherung (Prototyp, Test),
  • 10 % Überarbeitung (Konzept, Entwurf),
Bernd Klein

4. Leichtbauweisen

Einer der ersten konzeptionellen Schritte für die konstruktive Ausbildung einer Leichtbaukonstruktion ist die Wahl der Bauform /NN 69/. Diese wird im Allgemeinen bestimmt durch
  • die Anwendung und die Kosten,
  • die Sicherheits- und Reparaturanforderungen und
  • die Möglichkeiten der Fertigung.
Ein typisches Beispiel hierfür gibt der Karosseriebau, wo für ein Verkehrsfahrzeug entweder in Klein- oder Großserie zu konzipieren ist. Letztlich führt diese Entscheidung zu einer Space-Frame-Lösung oder einer integrativen Schalenlösung. Mit dem Bau heutiger Elektrofahrzeugen ist die Bauweise letztlich entscheidend für die Systemwirtschaftlichkeit.
Bernd Klein

5. Kriterien für die Werkstoffauswahl

Das Spektrum der im modernen Leichtbau zum Einsatz kommenden Werkstoffe ist heute sehr groß. Traditionell wurden immer hochfeste Stähle und Aluminiumlegierungen eingesetzt. Mit den gewachsenen Anforderungen haben aber auch Magnesium- und Titanlegierungen Bedeutung erlangt. Derzeit werden gerade große Anstrengungen unternommen, mit Verbundwerkstoffen neue Anwendungen zu erschließen.
Bernd Klein

6. Leichtbauwerkstoffe

Im Leichtbau gilt mittlerweilen die Philosophie, immer den richtigen Werkstoff für den richtigen Anwendungsfall (Multi-Material-Design). Dies setzt voraus, dass der Leichtbauer einen breiten Überblick über die technologisch relevanten Werkstoffe hat. Vor diesem Hintergrund soll im Weiteren ein Überblick über typische Leichtbauwerkstoffe gegeben werden.
Bernd Klein

7. Gestaltungsprinzipien im Leichtbau

Die Natur bedient sich innerhalb der Schöpfung von Pflanzen und Lebewesen vielfältig innovativer Prinzipien. So ist nachweisbar, dass biologische Bauweisen stets mit möglichst geringster Energie hergestellt werden, stets massearm und langlebig sind. Dies ist auch insofern notwendig, da der Materialaufwand jeweils mit der Stoffwechselleistung produziert wird, für die erforderliche Beweglichkeit eine günstige Massenverteilung und abgestimmte Steifigkeiten anzustreben sind.
Bernd Klein

8. Elastizitätstheoretische Grundlagen

Leichtbau stützt sich in großen Teilen auf die Grundlagen der Technische Mechanik bzw. Festigkeitslehre ab. Die in den weiteren Kapiteln hauptsächlich benötigten Zusammenhänge sollen in folgenden noch einmal begründet werden.
Bernd Klein

9. Dünnwandige Profilstäbe

Nachdem vorstehend allgemeine elastizitätstheoretische Grundlagen entwickelt worden sind, soll jetzt etwas spezieller auf typische Leichtbauelemente eingegangen werden. Ein verbreitetes Element ist dabei der dünnwandige Profilstab, der sehr viel in Rahmenkonstruktionen eingesetzt wird.
Bernd Klein

10. Torsion von Profilstäben

Zuvor ist schon mehrfach hervorgehoben worden, dass alle dünnwandigen Profile torsionsweich sind. Insofern bedarf die Torsionsbelastung einer besonderen Betrachtung, um Steifigkeiten konstruktiv richtig nutzen zu können.
Bernd Klein

11. Biegung offener Profilstäbe

Zuvor ist die Torsion als kritisch für dünnwandige Profile herausgestellt worden. In vielen Anwendungen unterliegen offene, dünnwandige Profile aber einer Längs- und/oder Biegespannung /HIB 06/, weshalb auch hierfür eindeutige Auslegungskriterien existieren müssen.
Bernd Klein

12. Schubwandträger-Profile

Der Trend im Stahl- und Strukturleichtbau weist zu einer größeren Variabilität bei Profilträgern, die heute gerade oder gebogen sowie mit unterschiedlichen Flanschbreiten hergestellt werden. Diese Forderungen lassen sich mit der konventionellen Walztechnik nicht erfüllen, weshalb zunehmend zusammengesetzte Profile (Tailored Strips), DAVEX-Profile etc.) eingesetzt werden. Merkmale dieser Bauformen sind massive Flansche, dünne Stege und Werkstoffkombinationen, wofür der Begriff Schubwandträger geprägt wurde. Dies charakterisiert die Kraftverteilung in Schub und Zug/Druck.
Bernd Klein

13. Schubfeld-Konstruktionen

Als ein weiteres Konstruktionselement des Leichtbaus sind Schubfelder /CZE 67/ anzusehen. Vom Aufbau her werden dabei umlaufend Rahmenprofile durch Blechfelder ausgefacht. Diese Technik findet man heute noch überwiegend im Nutzfahrzeugbau, wenn ein stützendes Gitterfachwerk als Kraft aufnehmende Struktur verwandt wird. Neuere Anwendungen sind Space-Frame-Strukturen für Pkws, die in Kleinserie (z. B. E-Mobile, Audi A8/R8) gebaut werden sollen.
Bernd Klein

14. Ausgesteifte Kastenprofile

Als Anwendung einiger der vorstehenden Betrachtungen können Kastenprofile angesehen werden. Typische Einsatzgebiete hierfür sind konventionelle Flügelkästen, Nutzfahrzeugaufbauten, Waggons-, Kran- und Manipulatorenausleger etc. Die häufigste Belastung ist dabei Biegetorsion aus exzentrischen Querkräften oder reine Torsion durch Kräftepaare. Meist kann als Abschluss eines Kastens eine feste Einspannung eines Endquerschnitts angenommen werden, die beispielsweise aus dem Übergang Ladeaufbau zum Motorwagen oder Anschluss eines Flügels am Flugzeugrumpf (s. /KAN 56/) resultiert.
Bernd Klein

15. Energie- und Arbeitsprinzip

Die Anwendung des Energie- und Arbeitsprinzips auf Strukturen erfolgt in der Hauptsache zur Ermittlung der Verformungen und Schnittkräfte /FAL 68/. Im Folgenden sollen die grundlegenden Beziehungen, basierend auf der Vorstellung der virtuellen Arbeit, dargelegt werden.
Bernd Klein

16. Statisch unbestimmte Strukturen

Um das elastomechanische Verhalten von Strukturen beurteilen zu können, muss grundsätzlich unterschieden werden, ob eine statisch bestimmte oder statisch unbestimmte Struktur gegeben ist. Bekanntlich ist eine Struktur dann statisch bestimmt, wenn sich unter Belastung alle Auflager- und Schnittkräfte allein aus Gleichgewichtsbetrachtungen bestimmen lassen. Sinngemäß ist eine Struktur statisch unbestimmt, wenn sich die Kräfte allein aus Gleichgewichtsbetrachtungen nicht bestimmen lassen, sondern weitere Bedingungen herangezogen werden müssen.
Bernd Klein

17. Sandwichelemente

Jede noch so differenzierte Blechbauweise kann hinsichtlich einer Eigengewichtsoptimierung durch das Verbundprinzip übertroffen werden. Der einfachste Aufbau besteht dabei in einer Kombination von leichten und festen Werkstoffen zu einem Sandwich. Durch die hierdurch mögliche Eigenschaftsvariabilität kann ein breites Spektrum an mechanischen, thermischen oder akustischen Vorgaben abgedeckt werden, weshalb Sandwichelemente im Fahrzeugbau, Bauwesen und in der Klimatechnik breite Anwendung finden.
Bernd Klein

18. Stabilität von Stäben und Balken

In vielen Strukturen sind Stäbe und Balken die hauptsächlichen Tragelemente. Das Tragverhalten der Gesamtstruktur ist dann oft durch das Instabilitätsverhalten /PFL 75/ dieser meist dünnwandigen und schlanken Elemente gegeben. Zu den Instabilitätsfällen zählen im Wesentlichen Knicken, Kippen und Beulen, wobei Beulen speziell im nachfolgenden Kapitel 19 behandelt werden soll. Bezüglich des Tragfähigkeitsnachweises in Stahlbaukonstruktionen ist hier die DIN 18 800) maßgebend.
Bernd Klein

19. Beulen von Blechfeldern und Rohren

Bei scheibenförmigen Tragelementen kann unter Druckbeanspruchung als Instabilität Beulen auftreten. Als Folge einer anwachsenden Belastung wölbt dabei die Mittelfläche durch, um wieder in einen stabilen Gleichgewichtszustand überzugehen. Da durch Beulen zusätzliche Querkräfte und Momente hervorgerufen werden, muss zur Ermittlung der Beanspruchung von der Plattentheorie ausgegangen werden.
Bernd Klein

20. Konstruktive Versteifungen

Unter konstruktiven Versteifungen sollen gezielt eingebrachte geometrische Anisotropien verstanden werden, die helfen, die Steifigkeit einer Leichtbaukonstruktion zu erhöhen. Wenn möglich soll die Versteifung ohne zusätzlichen Materialaufwand erfolgen, sodass bei konstantem Eigengewicht gleichzeitig eine Steigerung der Tragfähigkeit eintritt. Am günstigsten ist daher, wenn die Versteifung im gleichen Arbeitsgang wie das Bauteil hergestellt wird.
Bernd Klein

21. Krafteinleitung

Die Dünnwandigkeit von Leichtbau-Konstruktionen stellt eine Schwierigkeit bei der Krafteinleitung dar, da die örtliche Tragfähigkeit und Stabilität begrenzt ist. Jedes Einbringen von konzentrierten Kräften ist daher zu vermeiden oder durch eine besondere Gestaltung zu ermöglichen.
Bernd Klein

22. Fügetechniken

Einige Fügetechniken haben im Leichtbau große Bedeutung erlangt, weil zur Herstellung leichter Konstruktionen oftmals aufgelöste Bauweisen aus teils unterschiedlichen Bauelementen und Werkstoffen erforderlich sind. In diesem Sinne interessieren bei Fügungen die mechanischen Festigkeiten, die Parametergrenzwerte und das Langzeitverhalten. Meist sind jedoch die möglichen Fügetechniken (s. DIN 8593-1/8) durch die gewählte Leichtbauweise vorbestimmt.
Bernd Klein

23. Strukturoptimierung

Mit Strukturoptimierung (s. VDI 6224) bezeichnet man einen speziellen Optimierungsansatz. Ziel ist es gewöhnlich Bauteile hinsichtlich ihres Eigengewichtes zu minimieren. Da hiermit eine optimale Ausnutzung der Beanspruchung verbunden ist, ist dies gleichbedeutend mit einem Spannungsmaximierungsproblem
$${\rm{G}} \sim \frac{1}{{\sigma ({{\rm{x}}_{\rm{i}}})}},\;{\rm{mit}}\;\sigma {\rm{(}}{{\rm{x}}_{\rm{i}}}{\rm{)}} \le {{\rm{R}}_{{\rm{grenz}}}}\;.$$
(23.1)
Bernd Klein

24. Schwingbeanspruchte Strukturen

Viele im Stahlbau sowie alle im Fahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzten Konstruktionen werden dynamisch beansprucht. Wenn hierbei durch ein mögliches Versagen folgenreiche Schäden entstehen können, kommt dem Aspekt der Schwingfestigkeit, Bruchmechanik und der Zuverlässigkeit erhöhte Bedeutung zu. Vor diesem Hintergrund bedarf dann die herkömmliche Auslegung einer Erweiterung hinsichtlich eines Nutzungsdauerund Bruchfestigkeitsnachweises.
Bernd Klein

25. Strukturzuverlässigkeit

Die vorausgegangene Diskussion der Ermüdungsfestigkeit hebt auf die Analyse einer als schadenskritisch erkannten Stelle ab. Eine Leichtbaustruktur wird aber im Regelfall aus vielen Einzelteilen bestehen, sodass sich letztlich die Frage nach der Systemzuverlässigkeit stellt. Hiermit verbunden ist die Problematik der Zuverlässigkeitssimulation und -qualifizierung.
Bernd Klein

26. Strukturakustik

Dünnwandige Blechstrukturen stellen in vielen Anwendungen die günstigste Konstruktionslösung dar. Oftmals treten jedoch Geräuschprobleme auf, die bei dem gewachsenen Umweltbewusstsein immer weniger toleriert werden. In immer stärkerem Maße werden daher lärmarme Konstruktionen verlangt, zumal nachträgliche Lärmminderungsmaßnahmen in der Regel sehr kostspielig und nicht immer erfolgreich sind.
Bernd Klein

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