Leichtbau in der Fahrzeugtechnik

Horst E. Friedrich Hrsg.

ATZ/MTZ-Fachbuch

ATZ/MTZ-Fachbuch

Die komplexe Technik heutiger Kraftfahrzeuge und Motoren macht einen immer größer werdenden Fundus an Informationen notwendig, um die Funktion und die Arbeitsweise von Komponenten oder Systemen zu verstehen. Den raschen und sicheren Zugriff auf diese Informationen bietet die regelmäßig aktualisierte Reihe ATZ/MTZ-Fachbuch, wel-che die zum Verständnis erforderlichen Grundlagen, Daten und Erklärungen anschau-lich, systematisch und anwendungsorientiert zusammenstellt. Die Reihe wendet sich an Fahrzeug- und Motoreningenieure sowie Studierende, die Nachschlagebedarf haben und im Zusammenhang Fragestellungen ihres Arbeitsfeldes verstehen müssen und an Professoren und Dozenten an Universitäten und Hochschulen mit Schwerpunkt Kraftfahrzeug- und Motorentechnik. Sie liefert gleichzeitig das theoretische Rüstzeug für das Verständnis wie auch die Anwendungen, wie sie für Gutachter, Forscher und Entwicklungsingenieure in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie bei Dienstleistern benötigt werden.

Horst E. Friedrich

Herausgeber

Leichtbau in der Fahrzeugtechnik

Mit 707 Abbildungen und 71 Tabellen

HerausgeberProf. Dr.-Ing. Horst E. FriedrichInstitut für Fahrzeugkonzepte Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Stuttgart, Deutschland

ISBN 978-3-8348-1467-8 ISBN 978-3-8348-2110-2 (eBook)DOI 10.1007/978-3-8348-2110-2

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V

Werkstoffe und die Werkstofftechnik sind Schlüsseltechnologien im Automobilbau. Denn nichts, das an einem Fahrzeug dargestellt wäre, ist nicht auch aus Werkstoffen realisiert. So auch im Leichtbau, der als „Königsdisziplin“ der Fahrzeugtechnik gesehen werden kann!

Das Unterfangen nun, alle wichtigen Bereiche des Systems Fahrzeug-Leichtbau in einem Buch zu behandeln, mag gewagt erscheinen. So wird im vorliegenden Werk der Versuch unternommen, die relevanten Leichtbaustrategien – vom Werkstoffleichtbau über den Konzeptleichtbau bis zum Bedingungsleichtbau – als Gesamtpaket zu vermit-teln (Kap. 3). Es wird in einem historischen Abriss die technische Motivation hergelei-tet, sie gründet sich anfangs auf Errungenschaften von besserer Geschwindigkeit und Fahrdynamik, inzwischen stark motiviert durch die notwendige Energie- und Emissions (CO2)-Reduzierung und gerade jetzt verstärkt mit dem erwarteten Anteil an künftigen, alternativ angetriebenen Fahrzeugen. All diesen Entwicklungsrichtungen hinterlegt sind die Anforderungen an den Fahrzeugleichtbau (Kap. 4).

Weite Bereiche des Buchs bilden zwei große Schwerpunkte ab: die Behandlung der klassischen und der innovativen Leichtbauwerkstoffe (Kap. 6) und in Folge die korres-pondierenden Werkstoff- und Halbzeugtechniken (Kap. 7). Sie adressieren die wichtigsten Verfahren mit Metallen, Kunststoffen, Keramik, Oberflächen- und Verbundtechniken.

Nicht zuletzt kommen Aspekte der Rohstoffverfügbarkeit, des Recyclings und des Life-Cycle-Assessments zu Wort (Kap. 8). Das letzte Kapitel versucht schließlich, die Evolution von Leichtbausystemen in die Zukunft zu skizzieren.

Dieses Buch richtet sich an Ingenieure, Techniker sowie Lehrende, Forschende und Studierende im Bereich Fahrzeugtechnik. Es richtet sich an alle technisch Interessierten, denen eine leichtere Karosserie, ein leichteres Fahrwerk, Motor usw., letztlich das leich-tere Auto die bessere Lösung darstellt. Dies gemäß dem Sir Henry Royce zugeschriebe-nen Satz: „Strebe in allem, was du tust, nach Perfektion. Nimm das Beste, das es gibt und mache es noch besser. Falls es nicht existiert, schaffe es.“

Die Komplexität, die inzwischen die hohe Leistungsfähigkeit der Leichtbausysteme in unseren Fahrzeugen ausmacht, ist bestimmt einer der Gründe dafür, dass ein Einzelner schwerlich in der Lage sein dürfte, alle Aspekte und Zusammenhänge ganz-heitlich zu behandeln. Mein besonderer Dank gilt daher allen Autoren dieses Buches

Vorwort

VI Vorwort

für ihre konstruktive und koordinierte Mitarbeit. Das Team der Autoren besteht neben dem Herausgeber aus Persönlichkeiten der Forschung und Automobilentwicklung und ihren Mitarbeitern. Erwähnenswert scheint mir, dass der Dialog zwischen Wissenschaft/Hochschulen und Anwendung/Industrie hier intensiv und mit vielen gegenseitigen und wertvollen Anregungen weitergeführt wurde.

Dem Springer Vieweg Verlag und dem Lektorat Ewald Schmitt sei für den Support und die weitsichtige Mitarbeit gedankt. Nicht zuletzt ist der Firma Salzgitter AG für die fachliche und materielle Unterstützung bei der Entstehung dieses Buches zu danken, das ohne deren Mithilfe so nicht hätte realisiert werden können.

Stuttgart, 2013 Prof. Dr.-Ing. H. E. Friedrich

VII

1 Leichtbau als Treiber von Innovationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Triumphe durch Leichtgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Roadmap Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.1 Bauweisen der Karosserie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.2 Bauweisen im Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3 Bauweisen im Fahrwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2 Die Technische Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.1 Fahrwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2 Einfluss der Gewichtsreduzierung auf die Fahrdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3 Gewichtsspirale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3 Die Leichtbaustrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.1 Einteilung der Leichtbau- Strategien und Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 Stoff-Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.1 Wechsel der Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.2 Artgleicher Werkstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2.3 Fertigungsleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.2.4 Leichtbau-Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3 Formleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.4 Konzeptleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.4.1 Differential- und Integralbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.4.2 Synthese mit Funktionsintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.5 Bedingungsleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.6 Leichtbau im Produktentstehungsprozess der Fahrzeughersteller . . . . . . . . 72

3.6.1 Leichtbau wird Hygienefaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.6.2 Der Strategische Leichtbau (Zielfindungsprozess)

in der Produktentstehung der Fahrzeughersteller . . . . . . . . . . . . . . . 773.6.3 Der Taktische Leichtbau (Planungs- und Matchingprozess) . . . . . . 933.6.4 Der operative Leichtbau (Entwicklungsprozess) . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Inhaltsverzeichnis

VIII Inhaltsverzeichnis

3.7 Voraussetzungen und Kriterien für die Auswahl von Leichtbaulösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.7.1 Die Leichtbaugüte als Vergleichsmaßstab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.7.2 Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.7.3 Organisatorische Voraussetzungen und funktionale Kriterien . . . . 1123.7.4 Betrachtungen zu Gesamtenergiebilanz und

Wiederverwertbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4 Anforderungen an den Leichtbau im Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.1 Betriebsfestigkeits- und Lebensdauer-Anforderung im Fahrzeugbau . . . . . 119

4.1.1 Betriebsfestigkeitslastfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.1.2 Theoretische Grundlagen der Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.1.3 Neue Werkstoffe als besondere Herausforderung . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.2 Beeinflussung der Betriebseigenschaften durch Herstell- und Produktionsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.2.1 Betriebseigenschaften dynamisch beanspruchter Bauteile . . . . . . . . 1224.2.2 Beeinflussung der Betriebseigenschaften durch den

Herstellprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.2.3 Fazit für das Leichtbaupotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.3 Betriebsfeste Dimensionierung von Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.3.1 Lastkollektiv und Schadensakkumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.3.2 Statische Zugfestigkeit und Schwingfestigkeit verschiedener

Stahlgrundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364.3.3 Einfluss der Fügeverfahren auf die Schwingfestigkeit einer

Prinzip-Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384.3.4 Beispiel einer abstreckgleitgezogenen Dämpferkonsole aus

DC04 mit variabler Blechdicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.4 Anforderungen an Leichtbauwerkstoffe und Engineering

der Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.4.1 Faserverbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.4.2 Thermoplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.4.3 Aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.4.4 Simulation – Engineering der Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 1444.4.5 Beispiel: Betriebsfeste Gestaltung der Fahrzeugkarosserie

eines Luxusroadsters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1484.5 Passive Sicherheit und Crasheigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.5.1 Passive Sicherheit als Anforderung im Fahrzeugbau . . . . . . . . . . . . 1514.5.2 Moderne Gestaltung von Fahrzeugstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1564.5.3 Werkstoffanforderungen der passiven Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . 159

IXInhaltsverzeichnis

4.5.4 Herausforderungen bei der Simulation von Leichtbauwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

5 Anforderungsmanagement und Werkzeuge für Leichtbauweisen auf dem Weg zum Multi-Material-Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1775.1 Modellbasiertes Anforderungsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1785.1.2 Modellierungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795.1.3 Konzeptmodellierung und -bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.2 Berechnungsverfahren zur Ableitung von Fahrzeugstrukturen . . . . . . . . . . 1875.2.1 Topologieoptimierungsverfahren in der

Konzeptentwicklungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1885.2.2 Konzeptentwicklung am Beispiel von

Faserverbundwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1925.3 Anwendungsbeispiel – Faserverbundintensive

Spant-Space-Frame-Bauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935.3.1 Funktionsprinzip der Schlüsselkomponente Ringspant . . . . . . . . . . 1935.3.2 Entwicklung und Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

6 Die Leichtbauwerkstoffe für den Fahrzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1996.1 Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

6.1.1 Grundlagen der Stahlgüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2006.1.2 Stahlsorten und Lieferformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2086.1.3 IF- und Bake- Hardening- Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2166.1.4 Mikrolegierte Stähle zum Kaltumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2226.1.5 Mehrphasenstähle (DP, CP, BS, Restaustenit, MS) . . . . . . . . . . . . . . 2266.1.6 Vergütungsstähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.1.7 Ultrafeinkörnige und Nanopartikelhaltige Stähle . . . . . . . . . . . . . . . 2416.1.8 Hochmanganhaltige Stähle mit TRIP/TWIP-Effekt . . . . . . . . . . . . . 2476.1.9 Hochaluminiumhaltige Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

6.2 Leichtmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2666.2.1 Aluminium-Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2666.2.2 Magnesiumlegierungen und -Matrix Verbundwerkstoffe . . . . . . . . 3146.2.3 Titan, Titanlegierungen und Titanaluminide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

6.3 Massivkeramik und Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix . . . . . . . . 3476.3.1 Anwendungen im Fahrzeugbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3486.3.2 Herstellverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3576.3.3 Typische Ergebnisse und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3606.3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

X Inhaltsverzeichnis

6.4 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3626.4.1 Kunststoffe im Exterieur und Interieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3626.4.2 Faserverstärkte Kunststoffe der Fahrzeugstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 396

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

7 Werkstoff- und Halbzeugtechnologien für Leichtbau-Anwendungen . . . . . . . 4437.1 Ausgewählte Ur- und Umformtechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

7.1.1 Einteilung der Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4447.1.2 Verfahren zur Herstellung flächiger Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4457.1.3 Wirkmedienbasierte Umformverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4567.1.4 Verfahren zur Herstellung von Profilen und Rohren . . . . . . . . . . . . 4677.1.5 Biegen von Blechen, Profilen und Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4737.1.6 Gießverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

7.2 Metallische Tailored Products (MTPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5027.2.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5027.2.2 Kontinuierlich hergestellte Tailored Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5027.2.3 Diskontinuierlich hergestellte Tailored Products . . . . . . . . . . . . . . . 5097.2.4 Metallische Werkstoffverbunde: Plattierte Bänder bzw.

Verbundprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5157.2.5 Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518

7.3 Verbund- und Sandwichlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5197.3.1 Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5207.3.2 Aufbau und Tragverhalten von Sandwichlösungen . . . . . . . . . . . . . 5227.3.3 Kern- und Deckschichtwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5237.3.4 Biege- bzw. Sandwichtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5287.3.5 Versagensarten und Instabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5297.3.6 Fertigungsverfahren und Verbindungstechniken . . . . . . . . . . . . . . . 5317.3.7 Auswahlverfahren, Anwendungsbeispiele und

Funktionsintegrationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5337.4 Werkstofftechnologien mit Kunststoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

7.4.1 Werkstofftechnologien mit Thermoplasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5427.4.2 Thermoplastische Halbzeuge – Herstellung

und Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5687.4.3 Werkstofftechnologien mit Duroplasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5867.4.4 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6187.4.5 Rezyklierungsverfahren für Thermoplaste, Duroplaste

und Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6207.5 Fügeverfahren in hybriden Leichtbausystemen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622

7.5.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6227.5.2 Fügetechnische Herausforderungen neuer Leichtbauweisen . . . . . . 6247.5.3 Fügeverfahren für Multi-Material-Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6267.5.4 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662

XIInhaltsverzeichnis

7.6 Oberflächentechnologie und Schichtverbunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6637.6.1 Moderne Werkstoffverbundkonzepte für

Verbrennungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6737.6.2 Herstellung von thermisch gespritzten

Zylinderinnenbeschichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6787.6.3 Materialauswahl und Werkstoffcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . 6837.6.4 Schichtcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6857.6.5 Zielfelder und Anwendungen für leichte Antriebsstränge . . . . . . . . 693

7.7 Adaptronik zur Ertüchtigung von Leichtbaulösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6947.7.1 Smart Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6957.7.2 Schwingungsisolation (Empfängerentstörung) . . . . . . . . . . . . . . . . . 6967.7.3 Semi-passive Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6977.7.4 Semi-aktive Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7007.7.5 Aktive Schwingungsregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7057.7.6 Aktive Geräusch-Regelung (ANC)/Aktive

Struktur-Akustik-Regelung (ASAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

8 Recycling, Life-Cycle-Assessment und Rohstoffverfügbarkeit . . . . . . . . . . . . . . 7278.1 Life-Cycle-Assessment als Entscheidungshilfe für Leichtbau . . . . . . . . . . . . 727

8.1.1 Methodische Grundlagen der Ökobilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7288.1.2 Ökologische Bewertung von Leichtbauwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . 731

8.2 Leichtbau im End-of-Life Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7368.2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7368.2.2 Aufbereitung von Altfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7378.2.3 End-of-Life eines Leichtbauteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7398.2.4 Methodisches Vorgehen zur Bewertung von Recyclingströmen . . . 742

8.3 Verfügbarkeit von Rohstoffen für automobilen Leichtbau . . . . . . . . . . . . . . 7448.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7448.3.2 Rohstoffe für den Fahrzeugleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7458.3.3 Relevante Kriterien der Verfügbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7488.3.4 Beurteilung: Kritisch oder nicht kritisch? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7518.3.5 Vergleich der Ergebnisse mit aktuellen Studien zu kritischen

Rohstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7618.3.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764

9 Leichtbaukonzepte für heute und morgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7679.1 Prämissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7679.2 Potenzialerschließung durch Systemleichtbau auf

Gesamtfahrzeugebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7709.2.1 Sekundäreffekte im Gesamtfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7719.2.2 Fahrzeugarchitektur, Fahrzeugabmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772

XII Inhaltsverzeichnis

9.2.3 Laststufenkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7769.2.4 Teilsystemübergreifende Optimierung, Modularisierung . . . . . . . . 778

9.3 Potenziale des Teilsystems Karosserie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7799.3.1 Topologieoptimierung und Integralbauweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . 7799.3.2 Werkstoff- und Fertigungsleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7809.3.3 Neue Konzepte und Bauweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791

9.4 Potenziale des Teilsystems Motor/Antriebsstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7989.4.1 Konzeptleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7989.4.2 Werkstoffleichtbau und Leichtbau durch Modularisierung . . . . . . . 7999.4.3 Synthese von Antrieb und Fahrzeugpackage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804

9.5 Potenziale der Fahrwerkskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8069.5.1 Konzeptleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8069.5.2 Formleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8089.5.3 Leichtbau durch Werkstoffe und Bauweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 809

9.6 Potenziale der Innenausstattungskomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8119.6.1 Systemleichtbau/Modulbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8119.6.2 Werkstoffleichtbau und Fertigungsleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812

9.7 Potenziale des Teilsystems Elektrik/Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8129.7.1 Systemleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8129.7.2 Werkstoffleichtbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813

9.8 Trends – Werkstoffe und Bauweisen mischen sich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 819

XIII

Die Kapitel und ihre Autoren

1 Leichtbau als Treiber von Innovationen Prof. Dr. Horst E. FriedrichDr. Sivakumara K. Krishnamoorthy

2 Die Technische Motivation Prof. Dr. Thomas Gänsicke Dr. Martin Goede

3 Die Leichtbaustrategien Gunther EllenriederProf. Dr. Thomas Gänsicke Dr. Martin GoedeProf. Dr. Hans Georg Herrmann

4 Anforderungen an den Leichtbau im Fahrzeug

4.1 Betriebsfestigkeits- und Lebensdauer-Anforderung im Fahrzeugbau

Prof. Dr. Rodolfo Schöneburg

4.2 Beeinflussung der Betriebseigenschaften durch Herstell- und Produktionsparameter

Univ.Prof.Dr. Wilfried Eichlseder

4.3 Betriebsfeste Dimensionierung von Fahrzeugen

Prof. Dr. Rodolfo Schöneburg

4.4 Anforderungen an Leichtbauwerkstoffe und Engineering der Betriebsfestigkeit

Prof. Dr. Rodolfo Schöneburg

4.5 Passive Sicherheit und Crasheigenschaften Prof. Dr. Rodolfo Schöneburg

XIV Die Kapitel und ihre Autoren

5 Anforderungsmanagement und Werkzeuge für Leichtbauweisen auf dem Weg zum Multi-Material-Design

Prof. Dr. Horst E. FriedrichDr. Sivakumara K. KrishnamoorthyFrank NehuisJafet G. Sánchez RuelasDr. Carsten StechertProf. Dr. Thomas Vietor

6 Die Leichtbauwerkstoffe für den Fahrzeugbau

6.1 Stähle6.1.1 Grundlagen der Stahlgüten Dr. Volker Flaxa

Dr. Rudolf-Hermann Gronebaum 6.1.2 Stahlsorten und Lieferformen Dr. Volker Flaxa

Thomas Schulz6.1.3 IF- und Bake-Hardening-Stähle Dr. Volker Flaxa

Norbert Kwiaton6.1.4 Mikrolegierte Stähle zum Kaltumformen Dr. Volker Flaxa6.1.5 Mehrphasenstähle

(DP, CP, BS, Restaustenit, MS)Dr. Thomas EvertzDr. Manuel Otto

6.1.6 Vergütungsstähle Dr. Volker FlaxaDr. Joachim Schöttler

6.1.7 Ultrafeinkörnige und Nanopartikelhaltige Stähle

Dr. Christian Lesch

6.1.8 Hochmanganhaltige Stähle mit TRIP/TWIP-Effekt

Dr. Manuel OttoDr. Bianca Springub

6.1.9 Hochaluminiumhaltige Stähle Zacharias Georgeou6.2 Leichtmetalle6.2.1 Aluminium-Legierungen Dr. Peter Furrer

Andreas Müller6.2.2 Magnesiumlegierungen und

-Matrix-VerbundwerkstoffeDr. Hajo DieringaProf. Dr. Karl Ulrich Kainer

6.2.3 Titan, Titanlegierungen, Titanaluminide Prof. Dr. Christoph LeyensDr. Manfred Peters

6.3 Massivkeramik und Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Prof. Dr. Dr. h. c. Rainer Gadow

6.4 Kunststoffe6.4.1 Kunststoffe im Exterieur und Interieur Prof. Dr. Gerhard Ziegmann

XVDie Kapitel und ihre Autoren

6.4.2 Faserverstärkte Kunststoffe der Fahrzeugstruktur

Prof. Dr. Klaus Drechsler

7 Werkstoff- und Halbzeugtechnologien für Leichtbauanwendungen

7.1 Ausgewählte Ur- und Umformtechnologien

Uwe EggersDr. Peter FurrerAndreas MüllerDr. Stefan Mütze

7.2 Metallische Tailored Products (MTPs) Dr. Peter FurrerAnsgar GeffertDr.-Ing. André Kröff

7.3 Verbund- und Sandwichlösungen Gerhard KoppProf. Dr. Rodolfo Schöneburg

7.4 Werkstofftechnologien mit Kunststoffen Dr. Dietrich Scherzer7.5 Fügeverfahren in hybriden

LeichtbausystemenProf. Dr. Ortwin Hahn Vitalij JanzenProf. Dr. Gerson MeschutThomas OlfermannSebastian Süllentrop

7.6 Oberflächentechnologie und Schichtverbunde

Prof. Dr. Dr. h. c. Rainer Gadow

7.7 Adaptronik zur Ertüchtigung von Leichtbaulösungen

Prof. Dr. Lothar Gaul

8 Recycling, Life-Cycle-Assessment und Rohstoffverfügbarkeit

8.1 Life-Cycle-Assessment als Entscheidungshilfe für Leichtbau

Simone EhrenbergerDr. Stephan Schmid

8.2 Leichtbau im End-of-Life Konzept Simone EhrenbergerDr. Stephan Schmid

8.3 Verfügbarkeit von Rohstoffen für automobilen Leichtbau

Sven KnöfelDr. Eckhard Schüler-Hainsch

9 Leichtbaukonzepte für heute und morgen Gunther EllenriederProf. Dr. Horst E. FriedrichDr. Stefan Kienzle

XVII

Dr . Hajo Dieringa Institut für Werkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Geesthacht, Deutschland

Prof . Dr . Klaus Drechsler Leiter, Lehrstuhl für Carbon Composites, Technische Universität München, München, Deutschland

Uwe Eggers Abteilungsleiter Umformtechnik, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Simone Ehrenberger Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart, Deutschland

Univ . Prof . Dr . Wilfried Eichlseder Rektor, Montanuniversität Leoben, Leoben, Österreich

Gunther Ellenrieder ehem. Leiter Fahrzeugkonzepte u. Rohbau, Forschung u. Vorent-wicklung, Daimler AG, Stuttgart, Deutschland

Dr .-Ing . Thomas Evertz Leiter Projektbüro Hochlegierte Stähle, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr .-Ing . habil . Volker Flaxa Abteilungsleiter Neue Werkstoffe und Technologien, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Prof . Dr . Horst E . Friedrich Direktor, Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart, Deutschland

Dr . Peter Furrer Novelis AG, Küsnacht, Schweiz

Prof . Dr . Dr . h . c . Rainer Gadow Ordinarius und geschäftsführender Direktor des Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland

Prof . Dr . Thomas Gänsicke Institutsleiter Fakultät Fahrzeugtechnik, Ostfalia-Hochschule für angewandte Wissenschaft, Wolfenbüttel, Deutschland

Prof . Dr . Lothar Gaul Direktor, Institut für angewandte und experimentelle Mechanik, Universität Stuttgart, Stuttgart, Deutschland

Ansgar Geffert Abteilungsleiter Engineering und Simulation, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Autorenverzeichnis

XVIII Autorenverzeichnis

Zacharias Georgeou Fachexperte Hochlegierte Stähle, Projektbüro Hochlegierte Stähle, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr . Martin Goede Leiter Technologieplanung und -entwicklung, Volkswagen AG, Wolfsburg, Deutschland

Dr .-Ing . Rudolf-Hermann Gronebaum Fachexperte Hochtemperaturverfahrens technik, Abteilung Neue Werkstoffe und Technologien, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Prof . Dr . Ortwin Hahn Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn, Paderborn, Deutschland

Prof . Dr . Hans Georg Herrmann Professur für Leichtbausysteme, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Deutschland

Vitalij Janzen Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn, Paderborn, Deutschland

Prof . Dr . Karl Ulrich Kainer Direktor, Institut für Werkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Geesthacht, Deutschland

Dr . Stefan Kienzle Leiter, Forschung und Vorentwicklung Leichtbau, Material und Produktion, Daimler AG, Sindelfingen, Deutschland

Sven Knöfel Forschung und Entwicklung, Daimler AG, Deutschland

Gerhard Kopp Teamleiter, Leichtbau und Hybridbauweisen, Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart, Deutschland

Dr . Sivakumara K . Krishnamoorthy Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart, Deutschland

Dr . André Kröff Leiter Vertrieb und Engineering, Salzgitter Europlatinen GmbH, Salzgitter, Deutschland

Norbert Kwiaton Fachingenieur, Abteilung Neue Werkstoffe und Technologien, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr .-Ing . Christian Lesch Abteilungsleiter Werkstoffcharakterisierung, Salzgitter Mannes-mann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Prof . Dr . Christoph Leyens Direktor, Institut für Werkstoffwissenschaft, Technische Universität Dresden, Dresden, Deutschland

Prof . Dr . Gerson Meschut Leiter, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn, Paderborn, Deutschland

Andreas Müller Chief Excecutive Officer, DGS Druckguss-Systeme AG, Gallen, Schweiz

Dr .-Ing . Stefan Mütze Fachexperte Blechumformung, Abteilung Umformtechnik, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

XIXAutorenverzeichnis

Frank Nehuis Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Konstruktionstechnik, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Deutschland

Thomas Olfermann Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn, Paderborn, Deutschland

Dr .-Ing . Manuel Otto Fachexperte Industrieanwendung Hochlegierter Stähle, Projektbüro Hochlegierte Stähle, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr . Manfred Peters Institut für Werkstoffforschung, DLR, Köln, Deutschland

Jafet G . Sánchez Ruelas Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Konstruktionstechnik, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Deutschland

Dr . Dietrich Scherzer Senior Scientist, Global Polymer Research, BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland

Dr . Stephan Schmid Leiter, Forschungsfeld Fahrzeugsysteme und -Technologiebewertung, Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart, Deutschland

Prof . Dr . Rodolfo Schöneburg Leiter, Pkw-Entwicklung, passive Sicherheit/Fahrzeug-funktionen, Daimler AG, Sindelfingen, Deutschland

Dr .-Ing . Joachim Schöttler Fachexperte Vergütungsstähle, Abteilung Neue Werkstoffe und Technologien, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr . Eckhard Schüler-Hainsch Leiter Innovations-Geschäftsumfeld, Society and Technology Research Group (STRG), Forschung und Entwicklung, Daimler AG, Deutschland

Thomas Schulz Experte Feuerverzinkte Flachprodukte, Abteilung Neue Werkstoffe und Technologien, Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr .-Ing . Bianca Springub Abteilungsleiterin Prozessanalyse und Numerische Simulation, (heute Aurubis AG, Forschung und Entwicklung) Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, Salzgitter, Deutschland

Dr . Carsten Stechert Abteilungsleiter Konstruktionsmethodik, Institut für Konstrukti-onstechnik, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Deutschland

Sebastian Süllentrop Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn, Paderborn, Deutschland

Prof . Dr . Thomas Vietor Leiter, Institut für Konstruktionstechnik, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Deutschland

Prof . Dr . Gerhard Ziegmann Leiter, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik, Technische Universität Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland

XXI

Prof. Dr. H. E. Friedrich studierte Maschi nenwesen an der Technischen Universität München. Nach Tätigkeiten in der Maschinenbauindustrie und der Unternehmensberatung wech-selte er 1986 in die Luftfahrtindustrie. In leitenden Funktionen arbeitete er vorwiegend an neuen Bauweisen und Werkstoffen für Flugzeuge sowie an Flugtriebwerken und der Verkürzung der Produkteinführungszeiten. 1996 ging Prof. Friedrich als Leiter der Fahrzeug-Forschung zur Volkswagen AG nach Wolfsburg, wo er zuletzt als Leiter der Konzernforschung Werkstofftechnik und Fahrzeugkonzepte arbeitete. Hier koordinierte er u. a. Fahrzeug-Projekte mit elektrischen Antrieben, Hochleistungsbatterien und

Brenn stoffzellen, neuen Leichtbaustrukturen mit Mg- und CfK-Bauweisen sowie das erste „1-Liter-Auto“.

Seit 2004 ist Prof. Dr. Friedrich Direktor des Institutes für Fahrzeugkonzepte beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. in Stuttgart. Forschungsschwerpunkte sind dabei neue Konzepte für Straßen- und Schienenfahrzeuge, Alternative Antriebe und Energiewandlung, des weiteren Leichtbau und Hybridbauweisen. Außerdem ist er Professor an der Universität Stuttgart und hat einen Lehrauftrag an der Technischen Universität Berlin.

Seit 2004 ist Prof. Friedrich Mitglied im Direktorium der International Magnesium Association (IMA), USA. Im Jahr 2010 wurde Prof. Friedrich zum Beirat e-mobil BW des Ministeriums für Wirtschaft und Finanzen Baden-Württemberg bestellt und seit 2012 unterstützt er auch den Spitzencluster Elektromobilität Süd-West im wissenschaft-lichen Beirat.

Herausgeber

1H. E. Friedrich (Hrsg.), Leichtbau in der Fahrzeugtechnik, ATZ/MTZ-Fachbuch, DOI: 10.1007/978-3-8348-2110-2_1, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013

1.1 Triumphe durch Leichtgewicht

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 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 deut-licher Bedarf an mehr Mobilitätsleistung und neuen Mobilitätsmustern. Die abseh-bare Endlichkeit der fossilen Energien, wie sie derzeit noch einen Großteil unserer Verkehrsleistungen ermöglichen, zwingt zu neuen Lösungen bei den Fahrzeugkon-zepten, 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.

Die Zukunft der Fahrzeugkonzepte wird vorrangig von erneuerbaren Energien und verbesserten Energieeffizienzen geprägt sein! Dies adressiert die Antriebstechniken und die Fahrwiderstände, und in der Fahrwiderstandsgleichung sind drei von vier Termen massebasiert. Mithin sind Gewichtsreduzierung und die Strategien des Leichtbaus unver-zichtbare und in ihrer Bedeutung zunehmende Beiträge für eine sichere, nachhaltige und finanzierbare Mobilität.

Horst E. Friedrich und Sivakumara K. Krishnamoorthy

Leichtbau als Treiber von Innovationen 1

H. E. Friedrich (*) · S. K. Krishnamoorthy Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart, Deutschlande-mail: horst.friedrich@dlr.de

2 1 Leichtbau als Treiber von Innovationen

Begann Mobilität in der Bronzezeit?Schon in frühen Zeiten und selbst nach dem Tode scheint der Mensch Wert auf Mobilität gelegt zu haben. Ein anschauliches Beispiel dafür ist der Sonnenwagen von Trundholm, eine Grabbeilage aus der europäischen Bronzezeit, die als abstrahierte Vergegenständlichung einer mythischen Sonnenfahrt interpretiert wird. Die heute im Nationalmuseum von Kopenhagen zu besichtigende, etwa 60 cm messende Skulptur ist aber auch anschaulich im Sinne des Leichtbaus (Abb. 1.1).

Schon das Design, die Konstruktion, wirkt äußerst filigran und leicht. Man betrachte nur die Ausführung der Räder und Speichen, für die insgesamt sechs Räder ist auch deren Drehbarkeit auf den Achsen nachgewiesen. Interessant ist die integrale Ausführung: Radreifen und Speichen sind ganzteilig aus Bronze gegossen, gewissermaßen als moder-nes Konstruktionsprinzip. Ermöglicht wurde dies durch ein Wachsausschmelzverfahren, um 1400 v. Chr. das Feingussverfahren der mittleren Bronzezeit.

Man kann schließen, dass die frühen „Ingenieure“ vor dreieinhalbtausend Jahren sehr wohl schon eine ganzheitliche Vorstellung vom konzeptionellen Leichtbau besa-ßen. Angewandt hatten sie eine geradezu dialektische Beziehung zwischen 1. Werkstoffen (deren Eigenschaften und Verarbeitbarkeit; Bronze war bei geeigneten Temperaturen zu erschmelzen und mit dünnen Wandstärken gut zu vergießen), 2. den Fertigungstechniken (das Gussverfahren ermöglichte eine bildsame und integrierende Ausführung der Objekte) sowie schließlich 3. einem – in diesem Falle auch sehr ästhetischen – Konstruktionskonzept.

Dieser „Leichtbau-Trialog“ der ganzheitlichen Betrachtung von Werkstoffen, Fertigungstechniken und Konstruktionen ist heute und immer mehr der eigentliche Treiber für Leichtbauinnovationen. Statt Konstruktion wird in diesem Buch auch oft der Begriff der Bauweise verwendet. Ursprünglich von der Luftfahrt und dem Flugzeugbau geprägt, beschreibt er ingenieurwissenschaftlich zutreffend die kreative Ausführung einer Leichtbaulösung (Abb. 1.2).

Abb. 1.1 Sonnenwagen von Trundholm [1]

31.1 Triumphe durch Leichtgewicht

Die Leichtbaustrategien in der Transporttechnik wandelten sich in den vergange-nen ca. 120 Jahren zunehmend vom reinen Stoff-(oder Substitutions-)Leichtbau über den Form- und Fertigungsleichtbau zum konzeptionellen oder systemischen Leichtbau. Der Konzeptleichtbau, der viele bzw. alle anwendbaren Leichtbaustrategien integriert, ist heute die vorherrschende Lehrmeinung, auch im Fahrzeugleichtbau. Ein wichtiger Schwerpunkt dieses Buches ist dem geschuldet. Zunächst soll jedoch ein historischer Abriss versucht werden: Triumphe durch Leichtbau.

Im Rausch der GeschwindigkeitEin ganz wichtiger, früher Motivator für den Automobilbau war der Sieg durch Geschwin-digkeit. Halsbrecherische Autorennen und Flugvorführungen gehörten, positiv besetzt und bejubelt, zu den Vorboten einer neuen technischen Epoche: Um die Wende zum 20. Jahrhundert trieben Autorennen die Entrepreneure und Ingenieure der Zeit zu immer neuen Höchstleistungen und auch zum Leichtbau, denn niedriges Gewicht macht schnell!

Camille Jenatzy, ein belgischer Pionier des Motorsports, durchbrach im Frühjahr 1899 mit 105,8 km/h erstmals die „100 km pro Stunde Schallmauer“ [2] für Straßen-fahrzeuge. Sein Gefährt auf Rädern, übrigens mit einem Elektroantrieb innerhalb weni-ger Wochen konstruiert und fast mit der Form eines Torpedos, nannte er „La Jamais Contente“ (die nie Zufriedene), (Abb. 1.3), wohl ein weiser und zeitloser Wahlspruch für Leichtbau-Pioniere überhaupt.

Abb. 1.2 Integrale Betrachtung für Leichtbauinnovationen

Abb. 1.3 Camille Jenatzy im Rekord-Elektroauto La Jamais Contente mit seiner Frau bei der Siegesparade [4]

4 1 Leichtbau als Treiber von Innovationen

Zur Gewichtsreduzierung wurde eine leichte Legierung des Aluminiums verwendet, die man Partinium nannte (nach ihrem Erfinder G.H. Partin, hergestellt in den Usines des Partinium in Paris [3]). Die Angaben für die genaue chemische Zusammensetzung der kupferhaltigen Aluminiumlegierung variieren, Varianten mit Wolfram und Magnesium wurden für Fahrräder und Automobilteile genannt.

Fahrzeugtechnisch war die vorletzte Jahrhundertwende auch deswegen so interes-sant, weil mehrere Energieträger – Strom, Benzin und vereinzelt auch Dampf – in den Antriebssträngen der Automobile vorkamen (eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zu unse-rer Zeit, in der seit gut 100 Jahren erstmals wieder mehrere Energieträger parallel in den Fahrzeugkonzepten zu sehen sind). Damals wurden Rennen eben auch elektrisch gewon-nen! So zum Beispiel beim Exelberg-Rennen 1902 mit Ferdinand Porsche am Steuer sei-nes „Mixte“-Wagens; dieses Hybrid-Fahrzeugkonzept entwickelte er drei Jahre später in eine leistungsstarke Version mit einem 70 PS Benzinmotor weiter, welcher mit dem Generator Strom für vier Elektromotoren in den Rädern lieferte.

Leichtbau wird KonzeptmerkmalFerdinand Porsche interessiert hier mehr in seiner Eigenschaft als Leichtbau-Pionier. Lange vor dem Volkswagen, Porsche war noch bei Austro-Daimler als Direktor tätig, beschäftigte er sich mit dem Konzept des kleinen, leichten Wagens. Den Anlass ver-mutet man Anfang der 20er-Jahre durch einen Filmmagnat: Sascha Graf Kolowrat, Lebemann und Herrenfahrer mit dem Faible für Geschwindigkeit. Es entstanden Prototypen mit 50 PS und Spitzengeschwindigkeiten von 140 km/h. Das zu Ehren des Grafen „Sascha“ genannte Fahrzeug (Abb. 1.4) wog nur 598 kg, wesentlichen Beitrag zu diesem Erfolg lieferte eine leichte Aluminiumkarosserie [2]. Porsche hatte in dieser Zeit zwei Techniktrends aus dem Flugzeug adaptiert: kleinvolumige Motoren mit erhöhter Kompression und die Anwendung moderner Leichtbauprinzipien.

Die Renn-Historie der „Sascha“-Wagen begann 1922 mit dem Straßenrennen der Targa-Florio in Sizilien. Viele europaweite Rennen folgten. Ideen für eine Straßenversion,

Abb. 1.4 Alexander Graf Kolowrat-Krakowsky (links) mit dem „Sascha“-Wagen, rechts neben dem Auto steht der Konstrukteur F. Porsche [5]

51.1 Triumphe durch Leichtgewicht

gar in größeren Stückzahlen zu bauen, kommen indes nicht voran. Es überwiegen im deutschsprachigen Raum noch die Automobile der Oberklasse – bis zur Geburtsstunde des Volkswagens in den 30er-Jahren. Und wieder ist es Porsche, der auch in dieser Klasse Leichtbau konsequent einsetzte: Mit dem inzwischen berühmten Kurbel- und Getriebegehäuse aus Magnesium-Legierung! Mit dem luftgekühlten Boxer-Motor im „Käfer“ war dies ein Konzept bestimmender Beitrag zur Verringerung der Hecklastigkeit.

Konsequente Weiterentwicklungen bis in die 30er-JahreAuch bei Daimler führt der Weg von ersten Rennsiegen zu Triumphen mit Leichtbau. Der bekannte Namensgeber Emil Jellinek, ein erfolgreicher Geschäftsmann aus Sachsen, meldete mit dem Decknamen „Mercedes“, dem Kosenamen seiner ersten Tochter, einen 23 PS „Phönix“ aus Cannstatt zur Tourenfahrt in Nizza an. Anfang des 20. Jahrhunderts bestand Jellinek auf weitere Leistungssteigerung der Daimler-Fahrzeuge, vor allem, um im Wettbewerb mit französischen Fahrzeugen zu obsiegen und nachfolgende Verkaufsergebnisse zu erzielen. Wie die Bergrennen gezeigt hatten, waren kurze, hohe und schwere Wagen bei großem Tempo nicht wie gewünscht beherrschbar und der geni-ale Daimler-Konstrukteur Wilhelm Maybach setzte die technische Auffassung um, län-ger, niedriger und leichter zu bauen [6]. Mehrere „Mercedes“-Wagen wurden erworben und überzeugten in großen Rennen, Rekorden und Wettfahrten.

Viele europäische Automobile jener Zeit verwendeten Holz als Werkstoff für die Karosserie. Aluminiumblech wurde in Ausnahmefällen eingesetzt, so z. B. 1907 von Rolls Royce. Sir Henry Royce wird der Satz zugesprochen: „Nimm das Beste, was es gibt, und mache es noch besser. Falls es nicht existiert, schaffe es.“ Etwas später (1912) folgte von NSU der Typ 8/24 mit einer vollständig aus Aluminium geformten Karosserie (Abb. 1.5). Ford in Amerika hatte auf Einheitstypen und Stückzahlen gesetzt, lange vor dem Volkswagen, der wie damals wenig bekannt geworden war, auf amerikanische bzw. fordistische Produktionsmethoden aufbaute. Die Karosserie für das Model „T“ formte man ab 1908 schnell und kostengünstig aus Stahlblech. Eine werkstoffliche Besonderheit waren Vanadium legierte Stähle, die eine deutlich höhere Festigkeit als herkömmliche Stähle aufwiesen, mithin ein wertvoller Leichtbaubeitrag. Den Pressstahlrahmen und das

Abb. 1.5 Aluminium im NSU Typ 8/24, Bild © Audi AG

6 1 Leichtbau als Treiber von Innovationen

Blattfeder-Starrachs-Fahrgestell produzierte man bis 1927. Bereits zehn Jahre vorher war der Preis für ein „T“-Modell von zu Anfang 850 US$ auf nunmehr 360 US$ gefallen.

Viele Ingenieure und Unternehmer aus Europa reisten vor dem 2. Weltkrieg in die USA. Sie informierten sich über Fahrzeugmodelle, Bauweisen und Fertigungsmethoden und profitierten von diesem Technologietransfer. Zwar konnte man die Produktion opti-mieren, jedoch nicht die erheblich niedrigere Kaufkraft deutscher Kunden (vergl. [7]).

Ab 1935 stellte in Deutschland Opel mit dem „Olympia“ einen Serienwagen in selbst-tragender Ganzstahlkarosserie vor. Die zweitürige bzw. viersitzige Einheit aus Stahlblech machte einen Aufbaurahmen überflüssig und diente zugleich für die Aufnahme von Fahrwerk und Triebwerksträgern. Opel setzte die Bauweise mit dem etwas später pro-duzierten „Kadett“ und dem „Kapitän“ fort. Zu etwa gleicher Zeit kommt ebenfalls in Serienfertigung der „Citroën Traction Avant“ mit einer selbsttragenden Karosserie auf den Markt (Abb. 1.6). Lancia hatte mit dem „Lambda“ zwar schon zuvor revolutionär eine selbsttragende Bauweise in einem offenen Monocoque -Typ dargestellt, doch dann nicht für weitere Anwendungen verfolgt.

Eine historische Betrachtung über Automobilerfolge und Leichtbaupioniere wäre unvollständig ohne die Erwähnung von Ettore und Jean Bugatti, die gut zwanzig Jahre lang bis zum 2. Weltkrieg die Symbiose von Technik und Design in den automobilen Zenit hoben. Einer der exklusivsten und natürlich auch teuersten Wagen war der Type „57 SC Atlantic“. Dieser Wagen basiert auf einem Prototyp namens Bugatti Electron „Aerolithe“. Dessen Leichtbaukonstruktion verwendete „Electron“, eine Magnesium-Legierung der IG Farben. Obwohl attraktiv niedrig in ihrer spezifischen Dichte (Magnesium-Legierungen liegen bei nur ca. 1,8 kg/dm3 gegenüber den bereits leichten Aluminium-Legierungen mit ca. 2,7 kg/dm3) waren die Legierungen sehr schwer schweißbar. Aus diesem Grund wurde vermutlich eine Vernietung von Fahrgastzelle und Kotflügeln als Verbindungstechnik gewählt, was dem Auto eine bis zu 50 mm hohe und sehr auffällige Nietsicke bescherte (Abb. 1.7). Nachdem der Electron „Aerolithe“ Prototyp auf der Paris Motorshow 1935 debütierte – eine automobile Sensation, die insgesamt nur in drei Exemplaren gebaut wurde – wählte man danach das leichter zu handhabende Aluminium, behielt aber den auffälligen optischen Effekt bei. Das nicht unwichtige Fahrzeug-Leichtgewicht betrug 953 kg.

Abb. 1.6 Citroën Traction Avant, Serienfertigung in selbsttragender Bauweise [8]

71.1 Triumphe durch Leichtgewicht

Geschwindigkeitsrekorde vor dem UntergangBevor der 2. Weltkrieg seinen Unheil verkündenden Vorhang auch über die Bühne der Automobilerfolge senkte, soll noch einmal an große Triumphe erinnert werden: die Silberpfeile von Mercedes und Auto Union. 1934 hatte Manfred von Brauchitsch auf dem Nürburgring den ersten Sieg für Mercedes eingefahren (Abb. 1.8, links). Ob wahr oder erfunden, ist die berühmte Geschichte über die Mutation der Rennwagen zu Silberpfeilen für den Leichtbau sehr anschaulich: Angeblich habe der „W25“ (das Auto hatte einen 354 PS starken, 8-Zylinder-Motor und 3,4 l Hubraum) mit 751 kg für das Reglement ein Kilo zu viel gewogen (laut dem Grand Prix Reglement von 1934 durften die Fahrzeuge trocken und ohne Räder und Reifen nicht mehr als 750 kg wiegen). Kurzum habe man im Team von Rennleiter Alfred Neubauer über Nacht den Lack abgeschliffen und die zuläs-sige Gewichtsgrenze soweit eingehalten. Silber also wurde zur Farbe der Sieger!

Die P-Rennwagen der Auto Union – das Kürzel repräsentiert den Namen des Konstrukteurs Ferdinand Porsche – bestimmten den Verlauf der internationalen Rennen bis 1939: Die Duelle von Bernd Rosemeyer mit dem Mercedes-Fahrer Rudolf Caracciola zählten im Genre der 30er-Jahre zu den Höhepunkten des Rennsports. Hans Stuck, Ernst v. Delius und Tazio Nuvolari waren bei vielen Grand-Prix-Rennen Sieger mit dem ersten Mittelmotor-Rennwagen aus Zwickau.

Mercedes hatte in Württemberg mit der Fahrzeugkonstruktion von Hans Nibel ein vollkommen anderes Konzept für die 750 kg Rennformel entwickelt als Auto Union in Sachsen. Das Unternehmen war 1932 durch den Zusammenschluss von Audi, DKW Horch und Wanderer entstanden. Bei Auto Union hatte man den Motor vor der Hinterachse angeordnet (Abb. 1.8, rechts). Beiden gemeinsam war jedoch ein konse-quent realisierter Leichtbau mit aushärtbaren Aluminium-Legierungen. Die gesamte Al-Karosserie des Autounion Typs „C“ (520 PS bei 6 l Hubraum leistet der 16-Zylinder in seiner dritten Ausbaustufe) wog nur 45 kg. Die Rennaktivitäten beider Firmen wur-den übrigens vom Reichsverkehrsministerium mit Zuwendungen von mehreren 100.000 Reichsmark bezuschusst. 1937 errang die Autounion mit dem Silberpfeil Typ „C“ auf der Autobahn bei Frankfurt mehrere Welt- und Klassenrekorde. Rosemeyer bezwang erstmals die 400 km/h Marke auf einer Autostraße. Am 28. Januar 1938 erreichte Caracciola mit einem Mercedes „W125“ auf dem Abschnitt Frankfurt nach Darmstadt die Geschwindigkeit von 432 km/h. Kurz darauf verunglückte Rosemeyer

Abb. 1.7 Bugatti „Aerolithe“ [9]

8 1 Leichtbau als Treiber von Innovationen

tödlich, nachdem er von einer Windböe erfasst wurde. Die NS-Machthaber bemächtig-ten sich seines Ruhmes für eine pompöse Propaganda.

WirtschaftswunderIn den Nachkriegsjahren wurden weltweit zunächst unterschiedliche Strömungen in der Automobiltechnik verfolgt. Nordamerika setzte die Erfolge der Massenproduktion von PKW fort, man konzentrierte sich weiter auf die Erfordernisse einer kostengünsti-gen und rationalisierten Großserienproduktion. Aufgrund der niedrigen Kraftstoffpreise und des fast unbegrenzt erscheinenden Verkehrsraums erreichten die amerikanischen Fahrzeugkonzepte bemerkenswerte Dimensionen und Komfortstufen, entbehrten aber weitgehend innovativer Merkmale zu Diversifizierung in kleinere Modelle oder gar zu höherer Energieeffizienz.

Ganz anders in Japan und Europa, wo die wirtschaftlichen Lasten des Weltkrieges vorher vorhanden gewesene Expertisen und Trends jetzt geradezu katalysierten. Überall entstanden dort Klein- bzw. Kompaktwagen, die auf preiswerte Anschaffung und kos-tengünstigen Betrieb der sich von niedrigem Niveau aus schnell regenerierenden Märkte zielten. Typische Vertreter waren z. B. der Citroën 2CV in Frankreich oder der Fiat 600 in Italien, in der BRD gab es den Lloyd 300 mit 10 PS leistendem Zweitaktmotor – die Karosserie aus Holz war mit Kunstleder bezogen – und die DDR startete 1957 in Zwickau den Trabant [6]. Letzterer verwendete Baumwolle, eigentlich Baumwollreste und Produktionsabfälle, mit Phenolharz gebunden als Karosserieblechersatz.

Kleinheit und einfache, robuste Fahrzeugarchitekturen bedeuten konzeptbedingt auch Leichtigkeit. Die Fahrzeuge der „1.000 cm3 Hubraumklasse“ wogen eben damals auch nur 600–800 kg.

Hierzu muss allerdings angeführt werden, dass die Sicherheitsanforderungen bis in die 60er-Jahre noch deutlich geringer ausfielen als dies heute gilt. Erst nach und nach begannen, in den USA durch Verbraucherbewegungen und dann in Europa, Japan und weiteren Ländern entsprechende Rahmenverordnungen und Testprozeduren zur Automobilsicherheit zu greifen.

Abb. 1.8 Manfred von Brauchitsch auf Mercedes-Benz W25 750-kg-Wagen in 1934 (links), Bild © Daimler AG; Auto Union Typ „C“ mit einer „Mittelmotor-Bauweise“ (rechts), Bild © Audi AG

91.1 Triumphe durch Leichtgewicht

Der einsetzende Siegeszug der frontangetriebenen Klein- und Mittelklasseautos begüns-tigte zudem die Gewichtsbilanz. Die kompakte Bauweise und der Wegfall von Bauteilen im Antrieb ermöglichte Gewichtsvorteile bis zu 5 % gegenüber der Standardbauweise.

Die Silberpfeile kommen zurückBereits 1952 baute Mercedes wieder Rennwagen. Der 300 SL (W 194), errang überra-schende Siege, z. B. bei der „Carrera Panamericana“ oder dem „24-Stunden-Rennen“ von Le Mans [10]. Die extrem verwindungssteife Karosserie stammt von Rudolf Uhlenhaut, damals Leiter des Versuchs. „Ein Rahmen soll keine Federkräfte aufnehmen“ dekretierte Uhlenhaut, dafür seien schließlich die Federn da [11]. So entstand ein dreidimensionales Rohrgerüst aus dünnen Stahlrohren, das nur ca. 50 kg wog. Von zwei Querträgern abge-sehen, wurde keines der hochfesten Rohre auf Biegung beansprucht, es sind ausschließlich Zug- und Druckkräfte, die im Fachwerkvolumen wirken. Das ganze Auto wog 1310 kg.

Konzeptbedingt erhielt der SL hohe Seitenschweller, um genügend Steifigkeit zu ermöglichen, andererseits wäre er zu weich ausgefallen. Die filigrane Rohrrahmen-Struktur bedingte somit den Einstieg von oben mit den Klappen, den späteren Klassiker-Merkmalen des 300 SL Flügeltürers.

Für das Formel-1-Reglement für 1954/55 entwickelte Mercedes den „W 196“. Anstelle von freistehenden Rädern erhielt der „W 196“ eine Vollverkleidung wie sie bei den AVUS-Rekordfahrten vor dem Krieg üblich war. Die Bleche der Karosserie bestanden aus Magnesium und Aluminium und wurden anfangs von Hand über Holzblöcke geformt, später in Metallformen fabriziert. Der „W 196“ brachte in der Stromlinienausführung ca. 800 kg auf die Waage (Abb. 1.9), als Monoposto ca. 650 kg.

Für die Sportwagen-Weltmeisterschaft leitete Mercedes eine Variante als offener Zweisitzer ab, den 300 SLR. Sein Gitterrohrrahmen entsprach im Wesentlichen dem Formel-1-Wagen. Der 300 SLR brachte im Jahre 1955 mit 8-Zylinder-Otto-Reihenmotor und einer Leistung von 288 kW (310 PS) ein Trockengewicht von 860 kg auf die Waage. Zylinderblöcke und Zylinderköpfe waren integral aus AlSi11-Legierung (Silumin)

Abb. 1.9 Mercedes-Benz Formel-1-Rennwagen W 196 R mit Stromlinienkarosserie, 1954 (links); Fahren und Siegen: 1954 lagen beim AVUS-Rennen drei 300 SL vorn, hier in der berüchtigten Steilkurve, Fangio fährt zudem die schnellste Rennrunde (rechts), Beide Bilder © Daimler AG

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gegossen. Für die Karosserie verwendete man Magnesium. Der Gitterrohrrahmen, ein fili-granes Fachwerk aus Rohren mit teilweise nur 1 mm Wandstärke (Abb. 1.10), wog ledig-lich 60 kg. Der erste Triumph für den 300 SLR war die Mille Miglia, die Stirling Moss 1955 gewann. Im gleichen Jahr siegte auf dem Nürburgring Juan Manuel Fangio vor Moss.

Die Treiberrolle Leichtbau führte gewissermaßen in direkter Linie vom 300 SLR zum Mercedes-SLR-McLaren, einem Supersportwagen, der von 2004 bis 2009 in England pro-duziert wurde. Der aufgeladene V8-Motor lieferte dabei 460 kW (626 PS) aus 5,4 l Hubraum für ein Fahrzeug mit dem Leergewicht von 1.768 kg. Die Karosserie besteht aus kohlefaser-verstärktem Kunststoff (CFK) in Anlehnung an Formel 1-Architekturen. Der Vorderwagen bzw. Motorträger wird auch aus Gründen der Temperaturbelastung aus Aluminium her-gestellt. Interessant ist auch die Ausführung der Frontcrashbox mit wiederum aus CFK-hergestellten, teilweise geflochtenen Kunststoffverbundbauteilen. Die Vorteile von CFK bei Crashstrukturen sind die hohe gewichtsspezifische Energieabsorption, dem damit ver-bundenen deutlichen Gewichtsvorteil gegenüber einem metallischen Bauteil und dem sehr gleichmäßigen Energieaufnahme- bzw. Versagensverhalten im Unfall (Abb. 1.11).

Abb. 1.10 Fahrgestell des Mercedes Typ 300 SLR (W 196 S), Bilder © Daimler AG

Abb. 1.11 Mercedes McLaren-Struktur [12]