7.5 Fazit 125

8 Technologietrends Karosserie

Um den Stellenwert einer Technologiestrategie zu verdeutlichen, soll zuerst kurz auf die Zielkonflikte in der Fahrzeugentwicklung eingegangen werden. Eine Übersicht über die verschiedenen Anforderungen gibt Bild 8-1. Hier erkennt man, dass beispielsweise die Gebrauchstüchtigkeit des Fahrzeugs durch die hohen Anforderungen an die passive Si-cherheit eingeschränkt werden kann. In diesem Fall ist einerseits abzuwägen, welches dieser Merkmale bei der anvisierten Zielgruppe bevorzugt wird, andererseits müssen die zur Erreichung der gewünschten Eigenschaften notwendigen Technologien in ausreichen-dem Umfang entwickelt sein und vom Unternehmen beherrscht werden.

Antrieb Fahrwerk

KarosserieFahrzeug-

übergreifendeSubsysteme

Fahrzeugauslegung

Qualität u.Zuverlässigkeit

Komfort

PassiveSicherheit

Gebrauchs-tüchtigkeit

Wirtschaftlichkeit

Umwelt-freundlichkeit

Transport-leistung

Ressourcen-schonung

Aktive Sicherheit

Beispiele für Zielkonflikte Bild 8-1 Zielsystem der Fahrzeuganforderungen

Die Karosserie stellt einen wesentlichen Teil des Fahrzeugs dar und bestimmt die grund-legende Form und darüber auch das Einsatzgebiet. Es lassen sich zwei wesentliche Einsatzgebiete für Fahrzeuge unterscheiden. Auf der einen Seite steht der reine Personen-transport, auf der anderen der Gütertransport, Bild 8-2. Diese Transportaufgaben können mittels Personen-, Lastkraftwagen und Bussen realisiert werden. Transporter und Groß-raumlimousinen können mehrere Aufgabengebiete abdecken.

Bei der Auslegung von Nutzfahrzeugen wird der Erfüllung der Betriebsanforderungen ein größerer Stellenwert als dem Aufwand bei der Herstellung beigemessen, während bei Per-sonenkraftwagen Kriterien der Aufbaufertigung dominieren. Dies ist darauf zurück-zuführen, dass bei Nutzfahrzeugen die Anschaffungskosten einen kleineren Teil der Ge-samtkosten ausmachen als bei Personenkraftwagen.

126 8 Technologietrends Karosserie

Bild 8-2 Klassifizierung der Transportaufgaben

Der Aufbau eines Kraftfahrzeugs muss verschiedenen Anforderungen in Hinblick auf die Funktion, den Betrieb, die Herstellung, die Auswirkungen auf die Umwelt und die mit ihm verbundenen Emotionen genügen, Bild 8-3.

Aufbau

Transportleistung

Unterhaltskosten

Reparaturanfälligkeit,Kundendienst

Emissionen

Recycling

Design

Zeitgeschmack

Prestige

Material- undEnergieeinsatz

Kosten

Produktionsverfahren

Transportgefäß

Fahrerplatz

TragwerkFunktion

Herstellung

Emotion

Umwelt

Betrieb

Bild 8-3 Anforderungen an den Kraftwagenaufbau

Die Gewichtung der einzelnen Anforderungen untereinander hängt dabei stark vom späte-ren Einsatzgebiet ab. So sind die Anforderungsgebiete Funktion und Betrieb besonders bei Nutzfahrzeugen hervorzuheben, wohingegen Emotion und Herstellung bei der Kon-zeption und Auslegung von Pkw stärker gewichtet werden. Aufgrund der aktuellen Kli-madiskussion sind die Anforderungen im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit für Fahrzeuge in allen Einsatzbereichen als relevant einzustufen.

8.1 Karosseriebauweisen von Pkw 127

8.1 Karosseriebauweisen von Pkw Bei der Auslegung von PKW-Karosserien stehen vor allem Aspekte der Raumökonomie, der passiven Sicherheit und des Komforts im Vordergrund, Bild 8-4. Während die Raum-ökonomie und der Komfort vom Kunden direkt wahrgenommen werden können, handelt es sich bei den Anforderungen auf dem Gebiet der passiven Sicherheit oft um gesetzliche Anforderungen. Die Merkmale der passiven Sicherheit sind für den Kunden meist nur indirekt, beispielsweise über Testberichte von Verbraucherschutzverbänden wie NCAP, zu erfassen.

Aufbaustruktur

Raumökonomie

– Innenraum

– Länge– Breite– Höhe– Kopffreiheit– Schulterfreiheit

– Kofferraum

– Größe– Form

Passive Sicherheit

– Deformationscharakteristik

– Verzögerungsverlauf

– Überlebensraum

Komfort

– Akustik (höherfrequent)

– niederfrequente Schwin-gungen

– Verwindungssteifigkeit

– Ein- und Ausstieg

Bild 8-4 Anforderungen an die Pkw-Aufbaustruktur

8.1.1 Karosseriebauformen Es lassen sich insgesamt acht Karosseriebauformen unterscheiden, Bild 8-5. Dabei finden insbesondere der selbsttragende Aufbau und die Space-Frame-Bauweise Anwendung bei der Gestaltung von Personenwagen. Die Multi-Material-Bauweise, die mittragende Bau-weise und der Gitterrohrrahmen eignen sich prinzipiell ebenfalls für Pkw, werden jedoch weit weniger verwendet als die erstgenannten. Die für Personenwagen geeigneten Auf-bauformen werden im Folgenden kurz vorgestellt. Rahmenaufbauten werden vorwiegend für Lastwagen und schwere Geländewagen eingesetzt. Aus diesem Grund findet einen genauere Betrachtung dieser Aufbauform im Kapitel 8.2.1 statt.

128 8 Technologietrends Karosserie

Aufbauform

SelbstragenderAufbau

Rahmenaufbau

Gitterrohr-rahmen

MittragenderAufbau

Space-Frame-Bauweise

Multi-MaterialBauweise

Hybrid-Bauweise

Monocoque

Bild 8-5 Karosseriebauweisen

Bildet die Struktur, die das Antriebsaggregat und das Fahrwerk aufnimmt eine Einheit mit der Karosserie, spricht man von einer selbsttragenden Bauweise, Bild 8-6.

Bild 8-6 Selbsttragende Karosserie des Mercedes-Benz W203

8.1 Karosseriebauweisen von Pkw 129

Diese wird üblicherweise aus Stahl gefertigt. Es kann eine hohe Steifigkeit und Festigkeit durch das verschweißte Bodenblech sowie eingebrachte Strukturelemente erreicht wer-den. Dies ist besonders für die Sicherheitszelle von Vorteil, die den Fahrer und die ande-ren Insassen umgibt. Vorderwagen und Fahrzeugheck können so gestaltet werden, dass im Crashfall große Energiebeträge absorbiert werden können.

Bei der Fertigung selbsttragender Karosserien lassen sich hohe Automatisierungsgrade er-reichen. Vorraussetzung hierfür sind allerdings große Investitionen in Press- und Um-formwerkzeuge. Daher wird die selbsttragende Bauweise für Fahrzeugmodelle im oberen Stückzahlenbereich eingesetzt. Für Änderungen bei der Modellpflege oder für die Ferti-gung von Varianten werden erneute Investitionen notwendig, so dass die Rentabilität ins-besondere bei variantenreichen Modellen stark sinkt.

Die mittragende Bauweise bildet eine Sonderbauform der selbsttragenden Karosserie. Dabei werden Kunststoffaußenhäute auf eine selbsttragende Karosserie aufgesetzt. Die mittragende Bodengruppe besteht ebenfalls aus Kunststoff und wird mit dem Chassis verklebt und verschraubt. Durch den Einsatz von Kunststoffen ergibt sich im Vergleich zur selbsttragenden Karosserie ein Gewichtsvorteil. Auch die Modellpflege wird erleich-tert, da die Kunststoffaußenhaut einfach ersetzt werden kann. Ein ausgeführtes Beispiel bildet der BMW Z1, dessen Karosserie in Bild 8-7 dargestellt ist.

Bild 8-7 Mittragende Karosserie des BMW Z1[BMW88]

Die mittragende Bauweise findet nur bei Kleinserienfahrzeugen Anwendung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Herstellkosten bei großen Stückzahlen steigen. Ebenso wie bei der selbsttragenden Bauweise reduziert sich zudem mit steigender Variantenzahl die Rentabilität. Insgesamt stellt die mittragende Bauweise eine Nischenanwendung mit geringer Bedeutung für die Automobilindustrie dar.

130 8 Technologietrends Karosserie

Bei der Hybridbauweise wird die Karosserie aus zwei unterschiedlichen Materialien ge-fertigt. Durch diese Kombination von beispielsweise Aluminium und Stahl kann ein op-timales Achslastverhältnis, ein geringeres Gesamtgewicht bei hoher Steifigkeit und eine verbesserte Gewichtsverteilung erreicht werden. Nachteilig zu bewerten ist, dass nur durch eine aufwändige Konstruktion Kontaktkorrosion vermieden werden kann und inno-vative Fügetechnologien notwendig sind. Zudem wirken sich die hohen Materialkosten von Aluminium negativ auf den realisierbaren Fahrzeugpreis aus.

Space Frames hingegen bestehen aus Strangpressprofilen, welche die Fahrgastzelle wie einen Sicherheitskäfig umgeben, Bild 8-8. Die Profile werden über Knotenpunkte mitein-ander verbunden. Diese Knotenpunkte können beispielsweise als Gussteil dargestellt werden.

Der Boden enthält in Längs- und Querrichtung eine stabile Trägerstruktur, die sich in Vorder- und Hinterwagen mit zwei Längsträgern fortsetzt. Durch die Trägerstruktur lässt sich auf einfache Art eine Modulbauweise realisieren. Die Sicherheitsfahrgastzelle wird so ausgelegt, dass sich eine hohe Steifigkeit ergibt. Front- und Heckpartie müssen eine hohe Energieaufnahme gewährleisten. Die Space Frame Bauweise ermöglicht selbst bei der Verwendung von Stahl eine Gewichtseinsparung gegenüber der konventionellen selbsttragenden Bauweise. Verwendung findet die Space Frame Bauweise beispielsweise beim Audi A8.

Bild 8-8 Trägerstruktur der Space Frame Bauweise

Wie bei der selbsttragenden Bauweise lassen sich für verschiedene Einzelteile hohe Au-tomatisierungsgrade erzielen, wobei die Investitionen für Umformwerkzeuge im Ver-gleich relativ gering ausfallen. Auch hier lässt sich mit steigender Variantenzahl eine

8.1 Karosseriebauweisen von Pkw 131

sinkende Rentabilität beobachten. Soll zur Gewichtseinsparung Aluminium statt Stahl verwendet werden, steigen die Materialkosten an. Außerdem lassen sich die Bleche der Außenhaut bei der Modellpflege nicht einfach verändern.

Bei der Gitterrohrbauweise bildet ein Rahmen aus zusammengeschweißten Rohren das Tragwerk, Bild 8-9. An diesem Gitterrohrrahmen werden die Aggregate, das Fahrwerk und weitere Karosseriebauteile befestigt. Die Außenhaut wird auf die Rahmenstruktur geplankt. Werden Aluminium- und Kunststoffbauteile verwendet, so lässt sich im Gegen-satz zur selbsttragenden Bauweise eine deutliche Gewichtseinsparung erzielen.

Bild 8-9 Gitterrohrrahmen Wiesmann Roadster

Problematisch bei dieser Bauweise ist, dass die Tragstruktur im Crashfall undefiniert ver-sagen kann. Das Energieabsorptionspotential ist bei geringen Profilquerschnitten als nied-rig einzustufen. Bei steigender Stückzahl und wenigen Varianten steigen zudem die Her-stellungskosten an, so dass sich die Gitterrohrbauweise nur für kleine Serien anbietet.

Bei der Multi-Material-Bauweise werden verschiedene Materialien kombiniert, um die positiven Eigenschaften der einzelnen Werkstoffe gezielt einzubringen. Die verwendeten Materialen werden so optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Dadurch kön-nen Festigkeit und Steifigkeit der Karosseriestruktur sowie das Crashverhalten verbessert werden und gleichzeitig das Rohbaugewicht gesenkt werden. Neben Stahl und Alumini-um finden auch faserverstärkte Kunststoffe und Magnesium gezielt Verwendung.

Die Multi-Material-Bauweise ist sehr kostenintensiv, außerdem ergeben sich durch die Vielzahl der eingesetzten Materialen Probleme beim Fahrzeugrecycling. Ebenso ist die Verbindung der unterschiedlichen Materialien zum Teil schwierig, es bedarf einem hohen Entwicklungsaufwand im Bereich der Fügeverfahren, was auch ein Grund für die geringe Verbreitung dieser Technologie ist. Sie wird vorerst nur bei Nischenfahrzeugen im oberen Preissegment Anwendung finden. Ein Ausführungsbeispiel ist der Aston Martin Van-quish, Bild 8-10.

132 8 Technologietrends Karosserie

Bild 8-10 Multi-Material-Bauweise des Aston Martin Vanquish

Abschließend bietet sich die Möglichkeit eine Monocoques, d. h. die tragende Struktur wird in einschaliger Bauweise gefertigt und nimmt über die weitestgehend geschlossene Außenhaut die meisten angreifenden Kräfte auf. Das geringe Gewicht, die hohe Verwin-dungssteifigkeit, der hohe Integrationsgrad und die erhöhte Sicherheit für die Fahrzeugin-sassen stellen die Vorteile des Konzepts dar. Gegen den Einsatz spricht nur die aufwendi-ge Fertigung und somit die wirtschaftlichen Risiken für den Großserieneinsatz.

Neben den heute etablierten Bauweisen wurden in den vergangenen Jahren insbesondere mit Beteiligung von Stahlherstellern verschiedene Konzeptstudien entworfen, Bild 8-11. Diese Konzeptstudien zielen auf die Verwendung von hochfesten Stählen und innovati-ven Fertigungsverfahren zur Realisierung von Gewichtseinsparungen ab.

Zu diesen Fertigungsverfahren zählt z. B. das Innenhochdruckumformen (IHU). Beim IHU werden Hohlprofile in eine Form eingelegt und mit einem inkompressiblen Medium befüllt. Dieses Medium wird mit einem Druck beaufschlagt, wodurch sich das Hohlprofil der Form anpasst. Anwendung finden auch Tailored Blanks, die verschweißte Material-verbünde aus verschiedenen Blechen unterschiedlicher Stärke darstellen. So lässt sich sowohl die Blechstärke als auch das gewählte Material den Anforderungen entsprechend anpassen.

Dadurch ist es möglich, sich an weniger stark beanspruchten Stellen Material und damit auch Gewicht einsparen. Auch werden die Vorteile von Sandwichtstählen, bestehend aus einer von zwei Stahlblechen umgebenen Kernlage aus Schaumstoff genutzt. Der resultie-rende Werkstoffverbund verfügt über sehr gute akustische Eigenschaften. Auch die Bie-gesteifigkeit wird durch den Abstand zwischen den beiden Stahlblechen erhöht.

8.1 Karosseriebauweisen von Pkw 133

2002: Atlas-SpaceframeIntegration eines Stahl-Spaceframe mit IHU-Bauteilen in konv. Karosserie

1998:ULSAB-Studieintensive Nutzung vonhochfesten Stählen (HHS)

2002: ULSAB-AVC Studieintensive Nutzung vonAHSS (advanced HHS)

2003: NSB-StudieNew-Steel-Bodyintensive Nutzung von AHSS und IHU-Bauteilen

2004: ABC-StudieArcelor-Body-Conceptintensive Nutzung von Tailored Blanks und Sandwich-Stählen

Bild 8-11 Konzeptstudien zum Stahlleichtbau

Durch den Einsatz der in den Konzeptstudien erprobten Bauweisen und Fertigungstech-nologien gehen Studien von einem Gewichtseinsparpotential von 20 % bei der konventio-nellen Schalenbauweise bei weitgehender Kostenneutralität aus, Bild 8-12. Schöpft man alle Gewichtseinsparpotentiale aus, ist sogar eine Reduktion der Karosseriemasse von 35 % möglich.

Heutiger Serienstand

Kostenoptimierter Stahlleichtbau

(Schalenbauweise)

Kostengünstiger, gewichtsoptimierterStahl-Ultraleichtbau

–20 % –35 %

Gew

icht

Gew

icht

Kost

enKo

sten

Bild 8-12 Leichtbaupotentiale – Relation Gewichts/Kostenziele

134 8 Technologietrends Karosserie

8.1.2 Aufbauformen von Pkw Einen Überblick über die klassischen Pkw-Aufbauformen gibt Bild 8-13. Neben Limou-sinen, Kombis und anderen Standardaufbauformen werden heute zahlreiche neue Formen angeboten.

Bild 8-13 Klassische Pkw-Aufbauformen

Einen besonders bekannten Vertreter dieser neuen Aufbauformen stellt das Sport Utility Vehicle (SUV) dar. Fahrzeuge mit dieser Aufbauform lassen sich im Produktprogramm von nahezu allen großen Fahrzeugherstellern finden.

8.2 Karosseriebauweisen von Lkw Ebenso wie bei den Karosseriebauweisen von Pkw lassen sich für Lastkraftwagen Anfor-derungen an die Aufbaustruktur formulieren. Einen wesentlichen Faktor stellt dabei die Raumökonomie dar. Hier lässt sich zwischen der Ökonomie des Fahrerarbeitsplatzes und der des Transportraums unterscheiden. Bei der passiven Sicherheit steht neben dem Schutz des Fahrers vor allem der Schutz der schwächeren Verkehrsteilnehmer im Vorder-grund. Das Ziel der Rahmenauslegung ist die optimale Drehsteifigkeit. So verfügen Fahr-

8.2 Karosseriebauweisen von Lkw 135

zeuge, die ausschließlich für den Straßeneinsatz konzipiert sind, meist über einen dreh-steifen Aufbau. Fahrzeuge, bei denen ein Geländeeinsatz angenommen wird, werden hingegen drehweich ausgelegt, so dass bei einer diagonalen Achsverschränkung der Auf-bau nachgeben kann, Bild 8-14.

Aufbaustruktur

Passive Sicherheit

– drehsteif für geschlossene Aufbauten

– drehweich für offeneAufbauten

– Rahmen– Unterfahrschutz

vorne– Unterfahrschutz

hinten u. seitlich

– Fahrerkabine– Deformationscharak-

teristik– Verzögerungsverlauf– Überlebensraum– Crash-Ladungs-

verschiebung

Raumökonomie

– Rahmen, Aufbau – Laderaum– Art – Volumen oder Größe– Masse

– Fahrerkabine– Länge, Breite, Höhe– Schlafplatz

Rahmenauslegung

Bild 8-14 Anforderungen an die Lkw-Aufbaustruktur

8.2.1 Karosseriebauformen Lastkraftwagen werden üblicherweise auf einem Leiterrahmen aufgebaut. Der Begriff Leiterrahmen resultiert aus den beiden Längsträgern, die durch Querstreben verbunden werden, Bild 8-15. Hierbei ist das Transportgefäß vom eigentlich Tragwerk getrennt ver-baut. Die Karosserie übernimmt somit keine tragende Funktion, sie wird lediglich auf den Leiterrahmen aufgesetzt. Wie bereits erwähnt, wird für Fahrzeuge, bei denen ein Gelän-deeinsatz vorgesehen wird, ein torsionsweicher Rahmen aus U-Profilen verwendet. Torsi-onsharte Rahmen für Straßenfahrzeuge werden aus Hohlprofilen gefertigt.

Leiterrahmen eignen sich vor allem für eine variantenreiche Fertigung, da Änderungen am Transportgefäß ohne Änderungen am Rahmen erfolgen können. Der eigentliche Rah-men ist sehr belastbar und eignet sich daher auch für große Lasten. Im Vergleich zur selbsttragenden Bauweise zeichnet sich der Leiterrahmen allerdings durch ein höheres Gewicht aus. Sollen große Stückzahlen mit wenigen Varianten gefertigt werden, erweist sich der Leiterrahmen als relativ teure Lösung.