Leichtbaupotentiale für den Schienenfahrzeugbau

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

13. Dezember 2011

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des MaschinenbausRWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau

2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch

2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:

1. Der Kunde stört

2. Die Kosten stören

Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen

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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau

2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch

2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:

1. Der Kunde stört

2. Die Kosten stören

Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen

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Projektorganisation stört den Leichtbau

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Quelle: Rossberg (Hrsg.)

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Betrachtungsrichtung „von außen nach innen“

• Einflussgrößen aus dem Umfeld

• konzeptionelle Schwächen aufdecken

Globalbetrachtung

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1. Leichtbaupotential entsteht durch eine Gesamtsicht

2. Entscheidend sind die ersten Schritte der Struktur-definition

3. Klare Definition von Aufgaben und deren Verknüpfung

4. Richtlinien für den Strukturentwurf und die Konstruktion helfen Leichtbaupotential zu nutzen

Folgerungen 1

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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau

2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch

2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:

1. Der Kunde stört

2. Die Kosten stören

Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen

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Globalisierung treibt das Gewicht hoch

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Durch global Sourcing viele nicht sauber gestaltete Schnittstellen und Standard-komponenten mit hohem Gewicht

Auch global Sourcing, aber Zulie-ferer unter eigener Kontrolle

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• Konventionelle Geräteanordnung einer Niederflurstraßenbahn

Leichtbau durch Systemintegration

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Bildquelle: Vossloh-Kiepe

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1. Der Ansatz „Systemlieferant“ muss die Zulieferer entwicklungs-/konstruktionsseitig integrieren

2. Es ist eine hohe Kompetenz für typische zugelieferte Komponenten erforderlich (Bremsen, Getriebe, …)

3. Mit den Zulieferern sind neue Partnerschaftsmodelle erforderlich (gemeinsame Definition der Entwicklungsziele und gemeinsames Profitieren beim Erreichen der Ziele)

Folgerungen 2

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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau

2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch

2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:

1. Der Kunde stört

2. Die Kosten stören

Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen

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Das Marketing muss aktiver werden

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Leichtbauziele können nur bei richtiger Marktvorbereitung erreicht werden.

Quelle: WikipediaQuelle: Rossberg (Hrsg.)

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1. Heutige Marktforderungen müssen hinterfragt werden

2. Komfort, Ergonomie und gutes Design schließen sich nicht aus

Folgerungen 3

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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau

2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch

2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:

1. Der Kunde stört

2. Die Kosten stören

Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen

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Prinzip der Kraftleitung

Was ist hier gewesen?Was ist hier passiert?

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Prinzip der Kraftleitung

Vor dem Bruch

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Prinzip der Kraftleitung

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Ziel:•Minimum an•Werkstoffaufwand•resultierender Verformung

Weg:•nur Zugkräfte oder•nur Druckkräfte übertragen

Kurze und direkte Kraftleitung

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gleichmäßigeWerkstoffausnutzung

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Kurze und direkte Kraftleitung

Alle drei Übertragungsorgane haben die gleiche Belastung und Beanspruchung (rechteckiger Querschnitt gleicher Dicke)

direkte Kraftleitungindirekte aber geschlosseneKraftleitungindirekte Kraftleitung

1

2

3

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Quelle: Ehrlenspiel

1

2

3

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Typische Krafteinleitung in Tragwerken I

SW3

nach Klein

ungünstig besser Hinweise

Direkte Einleitung der

Kraft in die Hauptstruktur

Keine Umleitung von Kräften

Möglichst großflächige

Einleitung von Kräften

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Typische Krafteinleitung in Tragwerken II

SW3

nach Klein

ungünstig besser Hinweise

Möglichst direkte

Unterstützung von Kräften

Offene Strukturen

sollten möglichst geschlossen

werden

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Kurze und direkte Kraftleitung

• Kraftfluss muss stets geschlossen sein• Kraftfluss muss so kurz wie möglich sein• Vermeide:

• Kraftumlenkung• schroffe Querschnittsänderung• Änderung der Kraftflussdichte

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Grundaussagen:

1.Kraftflussbetrachtungen reichen häufig nicht aus

2.Durch Relativverformungen entstehen Zusatzbeanspruchungen

Prinzip der abgestimmten Verformung

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Ziel:

•gleichmäßige Werkstoffausnutzung

Weg:

•gleichgerichtete Verformungen

•möglichst kleine Relativverformungen

Prinzip der abgestimmten Verformung

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Abgestimmte Verformung: Antriebswelle

Gleicher Torsionswinkel der Räder durch abgestimmte Verformung der Wellenabschnitte bei asymmetrischer Zahnradanordnung

symmetrische Zahnradanordnung stellte Gleichlauf sicher

Gleichlaufprobleme wegen unsymmetrischer Zahnradanordnung

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Quelle: Pahl/Beitz

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Schadensfälle

ProblemzoneEinriß

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1. Ohne eine gute Entwicklung und Konstruktion geht es nicht

2. Die Beachtung entwicklungs- und konstruktionstechni-scher Regeln ist Voraussetzung für den Leichtbau

Folgerungen 4

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Ziel:

•Leichtbaukonstruktion

Weg:

•Ändern der Konstruktionsphilosophie

•Einführen neuer Fügetechniken

Werkstoffwahl

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Träger gleicher Steifigkeit: St - Al17_30_02

Werkstoff Stahl Aluminium Aluminium Aluminium

I [x 106 mm4]

E x I [x 1012 N mm²]

h [mm]

b [mm]

t [mm]

w [mm]

Gewicht [kg/mm]

38,9

8,1

240

120

9,8

6,2

30,7

116,6

8,16

240

240

18,3

12

30,3

116,7

8,17

300

200

12,9

6

18,4

117,3

8,21

330

200

10

6

15,8

t

w

b

h

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Gewichtsoptimierung von Biegeträgern17_30_03

Wegen Instabilität(Beulen des Stegs)muss örtlich die Wanddickeerhöht werden.

Gewichtserhöhung

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Optimale Gestaltung eines Al-Trägers17_30_04

Stahl Aluminium Aluminium

Gewicht [kg/m] 40 16,9 27

Trägheitsmoment [mm4] 76 * 106 225 * 108 228 * 106

Widerstandsmoment [mm³] 25 * 106 49 * 104 52 * 104

Torsionssteifigkeitsfaktor 1 0,24 27,5

Gewichtseinsparung [%] 0 57 32,5

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Sandwichbauweise

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Vorteile•Geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher

Biegesteifigkeit

•Gute Schwingungsdämpfung

•Gute Schallisolation

•feuerfest

Nachteile•Keine standardisierte Verbindungstechnik

•Keine einfach anzuwendenden

Festigkeitshypothesen

•Mangelnde Kenntnis der Konstrukteure über

Möglichkeiten der Sandwichbauweise

Deckschicht

Kernschicht

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Möglichkeiten•Gewichtseinsparung

•Bauteilreduktion durch Funktionsintegration

•verbesserte Oberflächengüte

•geringere Montage- und Ausstattungskosten

•Integrierte Sensorik und Aktorik

Möglichkeiten und Grenzen

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Quelle: DE-LIGHTGrenzen•Wirtschaftlichkeit?

•Auslegung und Berechnung

•Automatisierte Fertigung, Montage und Verbindung?

•Baukastensystem/Modularer Aufbau?

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Verfahren: Vakuuminfusion

8th international conference on sandwich structures, Porto,2008

Local effects in the vicinity of transitions from sandwich to monolithic laminate

configurations

OptimierteLösung

Optimierte Lösung durch eine „Materialanpassung“

Prinzip der abgestimmten Verformung

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Quelle: E. Bozhevolnaya; A.H. Scheikh; O.T. Thomson

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• Leichtbau scheitert an übergeordneten Dingen:• Organisation (Verantwortungen, Aufgabenteilungen,…)

• Heute vorhandenen Marktforderungen

• Heute vorhandenen Vorschriften

• Heute vorhandenen Betriebskonzepten

• Leichtbau scheitert nicht an:• Werkstoffen

• Konstruktion

• Fertigung

Ihre gute Ausführung, bzw. Wahl ist Voraussetzung.

Zusammenfassung

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