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Türen-Benchmark Vergleich und Optimierung von Fahrzeugtüren ThyssenKrupp Steel und deren Tochter ThyssenKrupp Tailored Blanks haben in einem „Türen-Benchmark“ eine Vielzahl von Türen auf Kriterien wie Gewicht, Struktureigen- schaften und Fertigungskosten untersucht. Als Ergebnis dieser Tests zeigen sich die Vor- und Nachteile verschiedener Bauweisen, aber auch der eingesetzten Materialien. Dabei zeigt sich aber auch, dass verwendetes Material, die Bauweise und die gesamte Karosse- riestruktur als Ganzes betrachtet werden müssen. ENTWICKLUNG ATZ 06I2007 Jahrgang 109 522 Werkstoffe

Vergleich und Optimierung von Fahrzeugtüren Türen-Benchmark

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Türen-Benchmark

Vergleich und Optimierung

von Fahrzeugtüren

ThyssenKrupp Steel und deren Tochter ThyssenKrupp Tailored Blanks haben in einem „Türen-Benchmark“ eine Vielzahl von Türen auf Kriterien wie Gewicht, Struktureigen-schaften und Fertigungskosten untersucht. Als Ergebnis dieser Tests zeigen sich die Vor- und Nachteile verschiedener Bauweisen, aber auch der eingesetzten Materialien. Dabei zeigt sich aber auch, dass verwendetes Material, die Bauweise und die gesamte Karosse-riestruktur als Ganzes betrachtet werden müssen.

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1 Einleitung

Entwicklung findet in aufeinander aufbau-enden Schleifen meist vom Vorgängermo-dell zum Nachfolger statt. Hieraus resultie-rende Vorgaben und Zwänge umfassen un-ter anderem die Übernahme von Bauteilen, die Notwendigkeit der Weiternutzung be-stehender Anlagen oder die Fertigung ver-schiedener Modellen in einer Rohbaulinie. Aufgabe des Entwicklers ist die Umsetzung zielführender Innovationen unter Berück-sichtigung der gegebenen Rahmenbedin-gungen.

Fahrzeughersteller legen sich mit einer Neuentwicklung für mehrere Jahre fest. Durch Benchmarking lässt sich die Leis-tungsfähigkeit eigener Konzepte im Ver-gleich mit den Systemen der Wettbewerber überprüfen. Eine derartige Standortbestim-mung ist für die Festlegung der eigenen Entwicklungsrichtung unabdingbar

2 Türen-Benchmark

Für Pkw-Türen haben die ThyssenKrupp Steel AG und die Tochtergesellschaft Thys-senKrupp Tailored Blanks GmbH eine um-fassende Vergleichsstudie für eine Vielzahl unterschiedlicher Fahrzeugtüren durchge-führt und deren Leistungsfähigkeit bewer-tet. Als Diskussionsgrundlage für Ge-spräche mit OEM-Kunden wurde eine Aus-wahl von achtzehn Türen, Bild 1, zusam-mengestellt. In die Gesamtbewertung unter für alle Türen gleichen, im vornherein fest-gelegten Randbedingungen sind neben dem Baugruppengewicht auch die Struk-turperformance und die Fertigungskosten eingeflossen.

Die Darstellung des Gesamtergebnisses des Benchmarks Türen, Bild 2, zeigt, dass mit Ausnahme weniger Ausschläge nach oben oder unten viele Türen, über alle Krite-rien betrachtet, nahezu gleichauf liegen. Der Weg, auf dem dieses Ziel erreicht wird, ist aber in der Regel unterschiedlich. Wäh-rend beim Hersteller A das Hauptaugen-merk auf der Strukturperformance liegt, punktet Hersteller B bei Gewicht oder Kos-ten. Bei genauer Betrachtung zeigt sich, dass gut bewertete Türen in allen Disziplinen ausgewogen über dem Durchschnitt liegen.

Mit dem Szenario und dem Datenpool des Türen-Benchmarks bietet sich dem Ent-wickler jetzt die Chance zur Positionsbe-stimmung des eigenen Türenkonzepts. Auf Wunsch besteht die Möglichkeit, gemein-sam mit dem Benchmark-Team von Thys-senKrupp Steel und ThyssenKrupp Tailored Blanks weitere Türen unter Benchmark-Be-

dingungen zu bewerten. Aus der Fülle der vorhandenen Informationen sind konkrete Optimierungsmöglichkeiten für die Ent-wicklungsarbeit ableitbar.

Ein Verständnis der Anforderungen an moderne Türkonzepte und eine vertiefte Kenntnis der Entwicklungsprioritäten der OEM-Kunden ist letztlich auch für den Werkstofflieferanten wichtig, wenn er ziel-gerichtet die optimale Stahlgüte oder das optimale Tailored Blank anbieten will. Langfristig ist für den Lieferanten nur die für den Kunden beste Lösung tragfähig.

3 Türauswahl – unterschiedliche Türkonzepte

Bereits ein erster Blick auf aktuelle Serien-fahrzeuge zeigt eine Vielzahl unterschied-licher Türdesign- und Werkstoffkonzepte. Für den Benchmark wurden die Türen von achtzehn Fahrzeugen ausgewählt. Diese stellen einen Querschnitt über das geho-bene und das Mittelklassen-Segment des deutschen Fahrzeugmarkts dar. Alle Roh-bautüren sind im Wesentlichen aus Stahl-werkstoffen hergestellt, teilweise auch un-ter Verwendung von Tailored Blanks. Be-trachtet wurde jeweils die vordere linke Türe eines viertürigen Fahrzeugderivates. Die Designphilosophie der ausgewählten Baugruppen unterscheidet sich stark. In Bild 3 sind die wesentlichen Konzeptunter-schiede dargestellt.

Türgewicht, Strukturperformance und Kosten sind die zentralen Bewertungspara-meter des Türen-Benchmarks. Um die Ver-gleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleis-ten, wurde ein für alle Türen gemeinsames Evaluationsszenario entwickelt. OEM-spezi-fische Restriktionen wurden, wenn sie die Ableitung allgemeiner Optimierungsansät-zen nicht tangierten, zunächst auch nicht bewertet. Für die Kostenbewertung wurde als Betrachtungsumfang der auch in der Fertigung gut abgrenzbare Tür-Rohbau festgelegt. Bei der Gewichts- und Struktur-bewertung wurden bei Türen mit einem erst in der Endmontage eingeschraubten Türmodul die für die Performance sehr wichtigen Aggregatträgerplatten mitbe-rücksichtigt. Geschweißte wie geschraubte Seitenaufprallträger wurden in die Betrach-tung ebenfalls einbezogen.

4 Umsetzung

Zur Durchführung der Benchmark-Unter-suchungen wurden einbaufertige, in der Regel KTL-lackierte Ersatzteiltüren der be-

Die Autoren

Dipl.-Ing. Erik Hilfrich ist Fachkoordinator Türen

und Klappen, Division Au-

to, bei der ThyssenKrupp

Steel AG in Duisburg.

Dipl.-Ing. Jörg Maas ist Key Account Mana-

ger, Division Auto, bei

der ThyssenKrupp Steel

AG in Duisburg.

Dipl.-Ing. Thomas Flöth ist Teamleiter

Karosserieplanung,

Division Auto, bei der

ThyssenKrupp Steel AG

in Duisburg.

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Bild 2: Gesamtbewertung Türenbenchmark durch Addition der EinzelergebnisseFigure 2: Overall score achieved by adding individual results

Bild 1: Querschnitt über den deutschen Fahrzeugmarkt, Benchmark-Türen-Darstellung anonymisiertFigure 1: Overview of the German vehicle market, benchmarked doors anonymized

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treffenden Fahrzeuge beschafft. Um ein Verständnis der Strukturen zu gewinnen, wurden die Türen zerlegt und in allen Ein-zelteilen dokumentiert. Fügeverfahren und Inhalte wurden bestimmt sowie Bauteilgrö-ßen und Blechdicken gemessen.

Die durchschnittlichen Blechdicken wurden herausgemittelt und lagen zum Beispiel für das Innenblech bei 0,73 mm, für das Außenblech bei 0,75 mm und bei Tailored-Blank-Innenblechen im Scharnier-verstärkungsbereich bei 1,44 mm. Die ein-gesetzten Stahlwerkstoffe konnten anhand der Hardware nicht vollständig ermittelt werden. Bei den untersuchten Außenble-chen überwiegen Bake-Hardening-Güten, für das Innenblech fanden vor allem wei-che Tiefziehstähle Anwendung. Hochfeste Stahlgüten wurden in Seitenaufprallträ-gern verbaut. Bei den Benchmark-Türen wurden neben Verstärkungsrohren vorran-gig kaltumgeformte Bauteile eingesetzt. In zwei Fällen wurde der Seitenaufprallträger durch einen Warmumform- und Vergü-tungsprozess aus borlegiertem Stahlwerk-stoff gefertigt.

4.1 GewichtDa sich die im Benchmark befindlichen Tü-ren in der Größe unterscheiden, entschloss sich das Benchmark-Team, nicht nur das absolute Gewicht durch Wiegen der Türen, sondern auch das auf die Gesamtfläche der Türöffnung bezogene Gewicht zu bestim-men. Hierzu wurde der Schattenriss der Türen und damit letztlich die Fläche be-stimmt. Die Gewichtsbetrachtung als erstes Ergebnis der Gesamtbewertung ist in Bild 4 dargestellt. Hierbei zeigt sich, dass die meisten Türen im Bereich eines durch-schnittlichen Flächengewichts von zirka 14 kg/m2 liegen, mit wenigen nach oben oder

unten abweichenden Ausnahmen. Im wei-teren Verlauf des Türen-Benchmarks wurde unter anderem die Frage untersucht, ob ein höheres Gewicht durch eine bessere Strukturperformance zu begründen ist.

4.2 PerformanceDie Struktureigenschaften einer Fahrzeug-tür steht in Wechselwirkung mit der sie umgebenden Karosserie. Insofern gibt eine isolierte Betrachtung im Rahmen eines Tü-ren-Benchmarks nur einen Hinweis auf die Eigenschaften des Gesamtsystems. Den-noch lassen sich typische Lastfälle definie-ren, die an der Türe isoliert geprüft werden können und Aussagen über deren struk-turmechanische Eigenschaften erlauben. Auf dem für die Benchmark-Untersu-chungen verwendeten Prüfstand eines Spe-zialanbieters werden sonst Entwicklungs-bauteile von Automobilherstellern getestet. Der Prüfaufbau der Benchmark-Türen er-folgte unter Nutzung der Original-Tür-scharniere und Fangbänder, die mit Origi-nal-Bolzen und -Schrauben am Prüfstand befestigt wurden.

Während des Tests wurden Kraft-Weg-Kurven aufgezeichnet und für die spätere Auswertung verwendet. Um eine Benach-teiligung von großen Türen zu vermeiden und einen realistischen Türkonzeptver-gleich zu ermöglichen, wurden, wie auch bei der Gewichtsbetrachtung, Skalierungs-faktoren eingeführt, die die Kraftwirkung unterschiedlicher Hebelarme ausgleichen. In den Ergebnischarts werden stets die ab-soluten und die skalierten Werte angege-ben. Bei der Auswahl der Lastfälle, dem Aufbau der Testanordnung und bei der Größe der eingeleiteten Kräfte orientierte sich das ThyssenKrupp-Team an bei den OEM verbreiteten Kriterien. Untersucht

Bild 3: Unterschiedliche Türkonzepte im BenchmarkFigure 3: Different door concepts in the benchmark study

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wurden die Lastfälle Türabsenkung und Überöffnen sowie die Fensterrahmenstei-figkeit und die Brüstungssteifigkeit, Bild 5.

Die Ergebnisse der Lastfälle Überöffnen und Türabsenkung geben vor allem Auf-schluss über die Steifigkeit des Scharnierbe-reichs. Hierbei ist zu beachten, dass im Benchmark das Gesamtsystem Tür mit Schar-nier gemessen wurde. Die Ausführung des Scharniers – stabiles Schmiedeteil oder ein-faches Blechscharnier – hat erheblichen Ein-fluss auf die Performance. Die prinzipbedingt besten Ergebnisse erzielten geschweißte Tür-scharniere, die jedoch fertigungstechnisch eher als problematisch zu bewerten sind.

Der Lastfall Fensterrahmensteifigkeit si-muliert den bei schneller Fahrt am Fahr-zeug durch die Luftverdrängung entstehen-den Unterdruck. Dieser zieht die Tür im oberen Fensterrahmenbereich nach außen. Bei schlecht abschneidenden Türen kann es zu einem Abheben der Türdichtung und damit zu einer Erhöhung des Windge-räuschs kommen. Designbedingt haben Türen mit einem sehr schmalen Fenster-rahmen hier Nachteile.

Der Lastfall Brüstungssteifigkeit wird von einigen OEMs als Kriterium für den Diebstahlschutz bewertet. Darüber hinaus wird die Gestaltung der Türbrüstung vor allem vom Crashkonzept bestimmt. Bei der Auswertung der Benchmark-Ergebnisse war erkennbar, dass dieser Lastfall in vielen Fahrzeugen eher eine untergeordnete Rolle spielt. Aus diesem Grund wurde er in die spätere Gesamtbewertung nur mit halber Gewichtung aufgenommen.

Neben den Steifigkeitslastfällen stellt auch der Crashfall Anforderungen an die Fahrzeugtür. Da diese Anforderungen aber von der Gesamtfahrzeugstruktur erfüllt werden müssen, lässt ein Testaufbau an ei-ner isolierten Tür nur bedingt Aussagen zu. Aus diesem Grund entschied sich das Pro-jektteam, im Rahmen des Benchmarks kei-ne Crashtests durchzuführen. Veröffentli-chte Crashergebnisse zeigen keine Korrela-tion mit in der Tür vorhandenen Maßnah-men.

Als Abschluss des Performance-Bench-marks wurden die Einzelergebnisse durch Addition zu einem Gesamtergebnis zusam-mengefasst, Bild 6. Die hier besten Türen ver-fügen über eine sehr ausgewogene Perfor-mance und schneiden letztlich in allen Last-fällen gut ab. Die Tür mit dem höchsten ge-messenen Gewicht hat im Benchmark auch das beste Performance-Ergebnis erreicht, hier lässt sich ein direkter Zusammenhang herstellen. Das zweitbeste Ergebnis jedoch wird von einer Tür mit nur durchschnitt-

Bild 5: Lastfälle TürenbenchmarkFigure 5: Door load cases

Bild 4: Die Türen im GewichtsvergleichFigure 4: Door weight comparison

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lichem Gewicht erreicht. Diese Tür erreicht die gute Performance durch den zielgerich-teten Einsatz von zwei Tailored Blanks, wo-bei eine Platine mit linearer Naht im Türin-nenblech und ein weiteres Blank mit drei unterschiedlichen Blechdicken im Fenster-rahmen eingesetzt wurden.

4.3 KostenNeben Gewicht und Performance bestim-men die Fertigungskosten die Umsetzung neuer Bauteilkonzepte. Speziell wenn es

um Optimierungen bestehender Kon-zepte durch den Einsatz neuer Technolo-gien und Werkstoffe geht, ist eine Bewer-tung der Differenzkosten unerlässlich. Um die Vergleichbarkeit der Kalkulati-onsergebnisse im Türen-Benchmark zu gewährleisten, musste auch hier zu-nächst ein gemeinsames Fertigungssze-nario entwickelt werden. Hierauf basie-rend wurde dann eine Greenfield-Ferti-gungsplanung für jede der Benchmark-Türen vorgenommen.

Als einzige Datenquelle fanden hierbei die Daten aus der Zerlegung der Tür Ver-wendung. Zur Planung der Bauteilferti-gung wurden die Technologien bestimmt, Operationsfolgen, Materialeinsatz und Werkzeugkosten wurden ermittelt und festgelegt. Zur Abbildung des Zusammen-baus wurde zu jeder Tür eine ZB-Planung erstellt. Die Fertigungsparameter wurden dann in der Kostenkalkulation abgebildet und berücksichtigt, Bild 7. Hierbei hielten sich die Projektmitarbeiter streng an das

Bild 6: Die Türen im PerformancevergleichFigure 6: Door performance comparison

Bild 7: Fertigungs-planung zur Kosten-kalkulationFigure 7: Manu-facturing planning for costing

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objektivierte Szenario. OEM-spezifische Fertigungsgegebenheiten wurden, wenn überhaupt bekannt, nicht berücksichtigt, um die Konzeptvergleichbarkeit zu ge-währleisten.

In der Addition der Einzelergebnisse wur-den neben dem Material die Bauteilferti-gungskosten berücksichtigt, in denen dann auch die Halbzeugkosten wie zum Beispiel die Fertigung der Tailored Blanks enthalten sind. Weiterhin fanden die Fertigungskosten für den Zusammenbau und die Umlage der

typenspezifischen Werkzeuge und Vorrich-tungen Berücksichtigung.

Im Ergebnis, Bild 8 und Bild 9, lassen sich zwei grundsätzliche Fertigungsphiloso-phien unterscheiden: Die Variante mit aus nur wenigen Bauteilen aufgebauten, meist vollgepressten Türen bietet aufgrund des geringeren Aufwands bei der Herstellung der Bauteile und beim Zusammenbau ge-ringere Bauteilfertigungskosten. Da aber die wenigen Bauteile meist großformatig sind und einen großen Verschnitt im Be-

reich der Fensteröffnungen haben, muss hier andererseits ein höherer Materialein-satz und damit höhere Materialkosten kal-kuliert werden.

Zwei der drei kostengünstigsten Türen im Benchmark beruhen auf dieser Ferti-gungsphilosophie, wobei die eine unter Einsatz eines Tailored Blank, die andere mit einem konventionellen Verstärkungs-konzept produziert wird.

Die zweite Gruppe setzt auf verschnitt-optimierte Bauteile im Bereich des Fens-

Bild 9: Darstellung DetailkostenFigure 9: Detailed costs

Bild 8: Die Türen im GesamtkostenvergleichFigure 8: Overall door cost comparison

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terausschnitts. Hier kommen Rollprofile und Ziehteile zum Einsatz, so dass Materi-aleinsatz und -Kosten reduziert werden. Allerdings werden für diese Konstruktio-nen meist deutlich mehr Bauteile benöti-gt. Auf Seiten der Fertigung steigen somit Aufwand und Kosten. Die im Gesamter-gebnis kostengünstigste Tür des Bench-marks wurde nach diesem Fertigungsprin-zip unter Nutzung eines Tailored Blanks gefertigt.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass optimierte Türen, bei denen aus allen Bauteilen maximaler Struktur-nutzen gezogen wird, auch bei den Kosten optimale Ergebnisse erreichen. Türen, bei denen die Funktionen von Bauteilen nicht optimal zur Geltung gebracht werden kön-nen – zum Beispiel beim Einsatz eines Tai-lored Blank und zusätzlichem großflä-chigen Verstärkungsteil – schneiden auch in den Kosten eher schlecht ab. Optimie-rungskonzepte mit Tailored Blanks rech-nen sich aus Kostensicht dann, wenn hier-mit eine Integration von Bauteilen verbun-den und das Tailored Blank optimal in die Struktur mit eingebunden ist.

4 Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse

Die Ergebnisse für Gewicht, Performance und Kosten wurden zu einem Gesamter-gebnis zusammengefasst. Hierbei wurde in jeder Einzeldisziplin die Abweichung vom Durchschnitt aller Türen im Benchmark angegeben. Die Einzelergebnisse wurden wie in Bild 2 dargestellt addiert.

Die Auswertung zeigt, dass nur wenige Türen den Durchschnitt deutlich überragen. Über alle Kriterien betrachtet liegen viele Sys-teme in der Gesamtbewertung nahezu gleich-auf. Der Weg zu diesem Ziel ist aber in der Regel unterschiedlich. Die leichte Tür zeich-net sich unter Umständen durch eine schlechtere Performance oder höhere Kosten aus. Die Auswertung zeigt, dass Türen mit sehr ausgewogenem Verhalten oft über-durchschnittlich gut abschneiden. Das Ge-heimnis steckt also in der richtigen und fei-nen Einstellung aller wichtigen Parameter.

Einige der bestbewerteten Türen setzen Tailored Blanks ein, jedoch auch in den schlechter bewerteten finden sich teilweise lasergeschweißte Platinen. Dies zeigt, dass es

bei Einsatz eines Tailored Blanks keinen Au-tomatismus gibt, der zu einem optimalen Türkonzept führt. Ein gut ausgelegtes Tailo-red Blank kann jedoch sehr wohl ein Weg zur Optimierung eines Türkonzepts sein.

Wie zu erwarten wurde mit dem Türen-Benchmark nicht das „eine und optimale“ Türkonzept gefunden. Das erarbeitete Sze-nario und die nun vorliegende Datenbasis machen jedoch konkrete Ansätze speziell für die Feinabstimmung und Optimierung von Türsystemen sichtbar. Der Türen-Bench-mark ist mittlerweile mehrfach verschie-denen OEMs vorgestellt worden. Die durch-weg positive Resonanz und die vielen Nach-fragen haben das Projektteam überrascht.

Ganz nebenbei ist aus diesem Benchmark nicht nur ein Vergleich existierender Türen, sondern auch eine Bewertungsmethode für Entwicklungskonzepte geworden.

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