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Lehrstuhl Konstruktion und FertigungProf. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
V. Automobilzuliefertag„Herausforderung Elektromobilität“
8. November 2011, Frankfurt (Oder)
20.12.2011 Bild 1
8. November 2011V. Automobilzuliefertag
„Herausforderung Elektromobilität“in Frankfurt (Oder)
Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger BTU Cottbus, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung
LEICHTBAUTECHNOLOGIEIM AUTOMOBIL
Lehrstuhl Konstruktion und FertigungProf. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
V. Automobilzuliefertag„Herausforderung Elektromobilität“
8. November 2011, Frankfurt (Oder)
20.12.2011 Bild 2Gliederung
1.
Entwicklung im Automobilbau
2.
Leichtbau im Automobilbau
3.
Leichtbaukonzepte für Elektrofahrzeuge
4.
Zusammenfassung
Lehrstuhl Konstruktion und FertigungProf. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
V. Automobilzuliefertag„Herausforderung Elektromobilität“
8. November 2011, Frankfurt (Oder)
20.12.2011 Bild 3Gliederung
1.
Entwicklung im Automobilbau
2.
Leichtbau im Automobilbau
3.
Leichtbaukonzepte für Elektrofahrzeuge
4.
Zusammenfassung
Lehrstuhl Konstruktion und FertigungProf. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
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8. November 2011, Frankfurt (Oder)
20.12.2011 Bild 4
VERKEHRVERKEHR
Verkehr und Verbrauch
Verbrauch von Primärenergien, vorwiegend fossile Energie mit begrenztem Vorkommen
Dynamische Reichweite:• Erdöl ca. 30 Jahre
• Erdgas ca. 50 Jahre
• Kohle ca. 150 Jahre
Verbrauch von Primärenergien, vorwiegend fossile Energie mit begrenztem Vorkommen
Dynamische Reichweite:• Erdöl ca. 30 Jahre
• Erdgas ca. 50 Jahre
• Kohle ca. 150 Jahre
Emissionen wie• Treibhausgase
• Partikel, z.B. Ruß
• Stickoxide
Emissionen wie• Treibhausgase
• Partikel, z.B. Ruß
• Stickoxide
Maßnahmen zum EnergiesparenMaMaßßnahmen zum Energiesparennahmen zum EnergiesparenAgenda 21Agenda 21
durch• Verbesserung des
Wirkungsgrades • Leichtbau• Elektromobilität• …
durch• Verbesserung des
Wirkungsgrades• Leichtbau• Elektromobilität• …
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20.12.2011 Bild 5Energieeinsparung im Verkehr
•
Hohe Energie- / Kraftstoffpreise
•
Reichweitensteigerung
•
Nutzlasterhöhung
•
Nutzwertsteigerung
•
Umweltschonung
•
Hohe Energie- / Kraftstoffpreise
•
Reichweitensteigerung
•
Nutzlasterhöhung
•
Nutzwertsteigerung
•
Umweltschonung
•
Wirkungsgradsteigerung
•
Leichtbau
•
Hybridantrieb
•
Brennstoffzelle
•
Elektroantrieb
•
Wirkungsgradsteigerung
•
Leichtbau
•
Hybridantrieb
•
Brennstoffzelle
•
Elektroantrieb
•
Gas
•
Biodiesel
•
Wasserstoff
•
Elektroenergie
•
Gas
•
Biodiesel
•
Wasserstoff
•
Elektroenergie
Strategien der Anbieter vonVerkehrsmittelnaller Art
Motivationen für sparsamen Umgang mit Energie
Motivationen für sparsamen Umgang mit Energie
Effizienzsteigerung durchEffizienzsteigerung durchEffizienzsteigerung durch
Alternativenergien wieAlternativenergien wieAlternativenergien wie
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20.12.2011 Bild 6Einfluss des Gewichts auf den Verbrauch
Triebstrang und Aggregate 11 %
Rollwiderstand10 %Luftwiderstand
50 %
Nutzlastverbrauch29 %
Verbrauchsbilanz bei konstant 120 km/hVerbrauchsbilanz bei konstant 120 km/h
Durch eine Gewichts-reduzierung
wird derKraftstoffverbraucham deutlichsten imStadtzyklus verringert.
Durch eine Gewichts-reduzierung
wird derKraftstoffverbraucham deutlichsten imStadtzyklus verringert.
Verbrauchsbilanz bei ECEVerbrauchsbilanz bei ECE--StadtStadt
Triebstrang und Aggregate6 %
Massenbeschleunigung17 %
Rollwiderstand6 %Luftwiderstand
3 %Nutzlastverbrauch
66 %
nicht spezifiziert 2 %
(Quelle: Bobbert)
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20.12.2011 Bild 7Kraftstoff-
und Emissionsreduzierung durch Leichtbau
100 kg Gewichtseinsparung führt zu
Energieeinsparung von 0,3 bis 0,5 l / 100 km
• Ein um 100 kg leichterer Golf verbraucht auf 100 km etwa 0,3 l weniger Kraftstoff.
• Bei einer jährlichen Fahrleistung des PKW von 11600 km entspricht dies einer Kraftstoff- einsparung von 35 l.
• Hochgerechnet auf 17 Millionen Personenkraft- wagen, die in Europa 2002 hergestellt wurden, entspricht dies einer CO2 -Emissionsreduzierung von 1,5 Millionen Tonnen und einem um 0,6 Millionen Kubikmeter reduzierten Kraftstoff- verbrauch (entspricht einer Reihe Tanklastzüge von Wolfsburg nach Frankfurt).
100 kg Gewichtseinsparung führt zu
Energieeinsparung von 0,3 bis 0,5 l / 100 km
• Ein um 100 kg leichterer Golf verbraucht auf 100 km etwa 0,3 l weniger Kraftstoff.
• Bei einer jährlichen Fahrleistung des PKW von 11600 km entspricht dies einer Kraftstoff- einsparung von 35 l.
• Hochgerechnet auf 17 Millionen Personenkraft- wagen, die in Europa 2002 hergestellt wurden, entspricht dies einer CO2 -Emissionsreduzierung von 1,5 Millionen Tonnen und einem um 0,6 Millionen Kubikmeter reduzierten Kraftstoff- verbrauch (entspricht einer Reihe Tanklastzüge von Wolfsburg nach Frankfurt).
(Quelle: VW autogramm, Ausgabe Nr. 7-8, Juli 2003; Verkehr in Zahlen,Handbuch des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Wohnen)
Abhängig vom Fahrzyklus (Stadt, Autobahn),Fahrzeuggewicht, Antrieb usw.
Energieeinsparung durch LeichtbauEnergieeinsparung durch Leichtbau im Fahrzeugbauim Fahrzeugbau
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20.12.2011 Bild 8Gewichtsentwicklung PKW-Mittelklasse 1970-2010
(nach VOLKSWAGEN AG)
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20.12.2011 Bild 9Karosseriekonzepte
SICHERHEIT, KOMFORT
GE
WIC
HT
Fahrwerk Selbsttragende Karosserie Space-Frame Mischbauweise
LEICHTBAU
(Audi) (Audi) (BMW)
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20.12.2011 Bild 10Gliederung
1.
Entwicklung im Automobilbau
2.
Leichtbau im Automobilbau
3.
Leichtbaukonzepte für Elektrofahrzeuge
4.
Zusammenfassung
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20.12.2011 Bild 11Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 12Was ist Leichtbau?
Leichtbau hat zum Ziel, aus funktionalen oder ökonomischen Gründen das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne die Tragfähigkeit, die Steifigkeit oder andere Funktionen der Konstruktion zu schmälern oder die Tragfähigkeit ohne Gewichtszunahme zu verbessern. (Wiedemann, Leichtbau)
Leichtbau hat zum Ziel, aus funktionalen oder ökonomischen Gründen das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne die Tragfähigkeit, die Steifigkeit oder andere Funktionen der Konstruktion zu schmälern oder die Tragfähigkeit ohne Gewichtszunahme zu verbessern. (Wiedemann, Leichtbau)
Einteilung:
Sparleichtbau (Kostenreduzierung)
Ökoleichtbau (Energieeinsparung)
Zweckleichtbau (hohe Beschleunigung, Realisierung extremer Ausmaße)
Stoffleichtbau (Substitution schwerer durch leichtere und festere Werkstoffe)
Verbundleichtbau (Werkstoffkombinationen)
Formleichtbau (durch Formgebung und bessere Kräfteverteilung ein hohes Trag- vermögen einer Struktur mit geringstem Stoffeinsatz erreichen)
Konzeptleichtbau (optimale Anpassung der Einzelkomponenten an das Gesamtkonzept)
Bedingungsleichtbau (Abbau überzogener Sicherheiten)
Fertigungsleichtbau (Gewichtsminimierung ermöglicht durch Fertigungsprozesse)
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20.12.2011 Bild 13
LEICHTBAULEICHTBAU
Definition des Leichtbaus
FormleichtbauFertigungsleichtbau
Innovative Umformtechnik (Walzprofile)
Innovative Fügetechnik (Laserschweißen)
Innovative Halbzeuge (Tailored Blanks, Tailored Tubes)
Werkstoffleichtbau
Hochfeste Stähle
Aluminium
Magnesium
Kunststoffe
Verbundwerkstoffe
Formgebung
Kräfteverteilung
Anpassung der Einzelkomponenten an das Gesamtkonzept
Konzeptleichtbau
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20.12.2011 Bild 14
WERKSTOFFEWERKSTOFFE
• Stahl
• Aluminium
• Magnesium
FERTIGUNGS- TECHNOLOGIEN
FERTIGUNGS- TECHNOLOGIEN
• Umformen mit Wirkmedien
• Presshärten
• Laserschweißen
BAUWEISENBAUWEISEN
• Schalenbauweise
• Space-Frame- Bauweise
• Integralbauweise
•••
Zusammenwirken von Werkstoffen, Bauweisen und Fertigungstechnologien
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20.12.2011 Bild 15
(Quelle: ThyssenKrupp Automotive)
ElektrikKarosserie
Fahrwerk
FlüssigkeitAusstattung
23 %Motor und Antriebsstrang
26 %
5 %
3 %
21 %
22 %
SicherheitKomfortEmissionVerbrauch
PreisIndividualität
Anteil verschiedener Komponenten am Gesamtgewicht eines Fahrzeugs
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20.12.2011 Bild 16Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 17Schematische Darstellung eines Flugzeugrumpfes
indie Verkleidung trägt hierbei nicht
Fachwerk-Bauweise
alsdie Verkleidung trägt vorwiegend auf Schub
Vollwandsystem
alsdie Verkleidung kann Normal- und
Schubkräfte abtragen
Schalensystem
Verkleidung
Verkleidung
Fachwerk
Gurt
Stringer
Spanten
Profile
Knoten
(Quelle: Klein)
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20.12.2011 Bild 18Form-
/ Konzeptleichtbau
Differential-bauweise
Integral-bauweise
Schalen-bauweise
Bauweisen charakterisiert nach Trageigenschaften
Bauweisen charakterisiert nach TrageigenschaftenBauweisen charakterisiert nach
funktionalen Gesichtspunkten
Bauweisen charakterisiert nach funktionalen Gesichtspunkten
FORM-
/ KONZEPTLEICHTBAUFORMFORM--
/ KONZEPTLEICHTBAU/ KONZEPTLEICHTBAU
Space-Frame-Bauweise
(Bilder: Audi) (Bilder: nach Klein)
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20.12.2011 Bild 19Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 20
METALLISCHE WERKSTOFFEMETALLISCHE WERKSTOFFEMETALLISCHE WERKSTOFFE
Metalle -
Strukturwerkstoffe
• Aluminium
• Aluminium / Lithium
• Titan-Legierung
• Magnesium-Legierung
• Titanaluminide
• ...
• Aluminium
• Aluminium / Lithium
• Titan-Legierung
• Magnesium-Legierung
• Titanaluminide
• ...
LeichtmetalleLeichtmetalle
• Höherfeste Stähle
• Höchstfeste Stähle
• Rostfreie Edelstähle
• ...
• Höherfeste Stähle
• Höchstfeste Stähle
• Rostfreie Edelstähle
• ...
• Faserverbund- werkstoffe
• Schichtverbunde
• Aluminiumschaum- sandwiche
• Metall-Kunststoff- Verbunde
• ...
• Faserverbund- werkstoffe
• Schichtverbunde
• Aluminiumschaum- sandwiche
• Metall-Kunststoff- Verbunde
• ...
WerkstoffverbundeWerkstoffverbundeStähleStähle
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20.12.2011 Bild 21Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau
- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 22Innovationen bei Stahlblechen
INNOVATION: Höherfeste Bleche
Innovationsfelder
Energieeffizienz Materialeffizienz Prozesseffizienz
ENERGIE
• Wirkungsgraderhöhung
• Leichtbau
BAUEN
• Leichte, tragfähige Strukturen
• Wetterfeste Bauteile
MASCHINENBAU
• Leichte hochfeste Maschinenteile
AUTOMOBIL
• Leichtbau
• Crashsicherheit
(nach Tröster, Rostek; Benteler Automobiltechnik GmbH)
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20.12.2011 Bild 23
(Quelle: ThyssenKrupp)
B-Säule aus hochfestem Stahl
• Streckgrenze:
• Zugfestigkeit:
• Bruchdehnung A80:
793 N/mm2
903 N/mm2
14 %
ZStE 340 (Blechdickenerhöhung für gleiche Crasheigenschaften)
4,7 kg/Fahrzeug
CPW 800, Blechdicke: 2 mm
Verstärkung B-Säule BMW E39 aus Komplexphasen Stahl CPW 800
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20.12.2011 Bild 24Innovative Konzepte für Fahrzeuge aus Stahl (ULSAB-AVC)
ULSAB-Projekt
Konzept basiert auf• Anwendung von neuen hochfesten Stahl-
werkstoffen
• modernen Stahlprodukten wie Tailored Blanks, Welded Tubes und Tailored Tubes
• innovativen Fertigungsverfahren sowie Konstruktionstechnologien
Fahrzeug-Leergewicht 933 kg(200 kg unter dem Durchschnitt heutiger (2002) Fahrzeuge)
ULSAB
Ultra Light Steel Automotive Body
AVC
Advanced Vehicle Concept(Quelle: ULSAB-AVC-Konsortium)
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20.12.2011 Bild 25ULSAS-Achstypen
Federbein Achse
Verbundlenker Achse
Mehrlenker Achse
„LOTUS UNIQUE“ Achse
Doppel-QuerlenkerAchse
- 25 %- 17 %
- 32 %
- 3 % im Vgl. zu Aluminium
- 34 % im Vgl. zur Doppelquerlenker-Achse
- 2 %- 0 %+
- 6 %
- 30 %
- 22 %
GEWICHTKOSTEN
ULSAS
Ultra Light Steel Auto Suspension(Quelle: Stahlunternehmen im ULSAS-Projekt)
ULSAS-Projekt
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20.12.2011 Bild 26
Tailored BlanksBleche aus verschie-denen Blechgüten oder Blechdicken
Anwendung:• Bauteile für
Fahrzeugkarosserie
Vorteile:• Belastungsangepasste
Auslegung• Hohe Crashsicherheit• Gewichtsreduzierung
Seitenteil aus Tailored Blanks
(Quelle: ThyssenKrupp)
Tailored Blanks
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20.12.2011 Bild 27Presshärtbare
Borstähle
Presshärtbare
Borstähle
Stre
ckgr
enze
[MP
a]
Bruchdehnung [%]
Presshärtbare
Borstähle
nach dem Presshärten
vor dem Presshärten
Vorteile
• Gewichtsminimierung
• hohe Crashsicherheit
• gute Umformbarkeit beim Presshärten
(nach Tröster, Rostek; Benteler Automobiltechnik GmbH)
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20.12.2011 Bild 28Presshärten -
Anwendungsbeispiele
Dachrahmen-Verstärkung
Türbalken
Vorderer Stoßfänger Längsträger-Verstärkung
A-Säulen-Verstärkung
Säulen-Verstärkung
HintererStoßfänger
Fensterrahmen-Verstärkung
Schweller-Verstärkung
(Quelle: Benteler Automobiltechnik GmbH)
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20.12.2011 Bild 29Gewichtsreduzierung beim Leichtbau mit Stahl
Bauteil Gewichts-
reduzierung
in %Bauteiltypische Erkenntnisse
Volkswagen Polo• Tür
11,2 Tailored BlankPlatine mit 2 Schweißnähten
Volkswagen Polo• Federbeinaufnahme
15,2 Werkstoffgerechte Substitutionslösung
Audi A4• Hilfsrahmen
12,6 Die Schweißnaht begrenzt die Blechdickenreduzierung
Mercedes Benz• C-Modell• Konsole• Querlenkerträger
14,0 Noch keine Umsetzung in Hardware
Beispiele für Gewichtsreduzierung beim Leichtbau mit Stahl
(Forschungsprojekt des VDEh und der Studiengesellschaft Stahlanwendung)
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20.12.2011 Bild 30Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 31Aluminium -
Legierungsentwicklung
LegierungsentwicklungLegierungsentwicklung
AluminiumgussAluminiumguss
AluminiumknetlegierungenAluminiumknetlegierungen
hochfeste dünnwandige Druckgusslegierunghochfeste dünnwandige Druckgusslegierung
hochfeste Legierungenhochfeste Legierungen
• Getriebegehäuse• Zylinderköpfe• Motorenblöcke• Bremssattel• Fahrwerksteile• Karosserieteile• Felgen
• Getriebegehäuse• Zylinderköpfe• Motorenblöcke• Bremssattel• Fahrwerksteile• Karosserieteile• Felgen
schweißbare Aluminiumgussteileschweißbare Aluminiumgussteile
KorrosionsbeständigkeitKorrosionsbeständigkeit
KorrosionsbeständigkeitKorrosionsbeständigkeit
• Bleche / Folien• Karosserieteile• Fahrwerksteile• Flugzeugteile• Maschinenbau• Wärmetauscher
• Bleche / Folien• Karosserieteile• Fahrwerksteile• Flugzeugteile• Maschinenbau• Wärmetauscher
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20.12.2011 Bild 32Mechanische Eigenschaften von Aluminiumlegierungen
50
40
30
20
10
00 100 200 300 400 500 600
Dehngrenze R [MPa]p0,2
AZ 31
5183
St 14
AluminiumgusslegierungAluminium-Knetlegierungen
höherfeste Stahl-Blecheweiche Stahl-Bleche
Aluminium-Bleche
6016
ZStE420
G-ALMg3Si
20162016
73496110A
Bru
chde
hnun
g[%
]
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20.12.2011 Bild 33Aluminium-Spaceframe
(Quelle: AUDI AG)
Audi R8
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20.12.2011 Bild 34
(Quelle: Jaguar)
Vorteile:
• Gewichtseinsparung
• 60% steifer als Vorgängermodell (Stahl)
Bauweise:
• Bleche aus hochfester Aluminiumlegierung
• Schalenbauweise
Aluminium –
Schalenbauweise Karosserie des Jaguar XJ
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20.12.2011 Bild 35Leichtbaufahrwerk
Porsche Panamera
Vorderachse
Hinterachse
(Quelle: Porsche)
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20.12.2011 Bild 36Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 37Mechanische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen
50
40
30
20
10
00 100 200 300 400 500 600
AZ 31
5183
St 14
Magnesium-Druckguss
höherfeste Stahl-Blecheweiche Stahl-Bleche
Aluminium-BlecheMagnesium-Bleche
AS 41
AM 60AZ 91
AE 42 6016
ZStE420
Dehngrenze R [MPa]p0,2
Bru
chde
hnun
g[%
]
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20.12.2011 Bild 38Magnesiumbauteile
(Volkswagen)
(Otto Fuchs KG)
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20.12.2011 Bild 39Vergleich von Türinnenteilen
aus verschiedenen Werkstoffen
Bauteilgewicht
Stahl (St37)
100%
50%
Aluminium- Gusslegierungen
38%
Magnesium- Gusslegierungen
0
50
100
%
Türinnenteil aus Magnesium-Druckguss
(Volkswagen)
Baut
eilg
ewic
ht
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20.12.2011 Bild 40Bimetall-Motorblock
Verbund von Aluminium und Magnesium
Magnesiumkörper
Alu-Insert
Gussverfahren ermöglicht Verbund von Magnesium und Aluminium
Durch dieses Verfahren werden die positiven Eigenschaften von zwei Werkstoffen verknüpft, ohne sich deren Nachteile einzuhandeln.
• Aluminium-Blöcke sind sehr belastbar, aber vergleichsweise schwer
• Magnesium ist extrem leicht, verfügt aber nicht über die nötige Dauer- festigkeit
(Bild: BMW)
Gewichtseinsparung: 10 kg (25%)
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20.12.2011 Bild 41Klappdachinnenteil
aus Magnesium für einen Sportwagen
(Lausitzer Rundschau vom 26. Januar 2007)
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20.12.2011 Bild 42Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 43
Metallmatrix-VerbundstoffeTeilchenverstärkung oder Faserverstärkung in Metallmatrix
Anwendung:• Automobilindustrie (Bremsen, Kolben)• Luftfahrtindustrie
Vorteile:• Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit• Erhöhung des E-Moduls• Erhöhung der Zugfestigkeit• Erhöhung der Kriechfestigkeit
Metallmatrix-Verbundstoffe (MMC)
Aluminium-Kolben für Dieselmotor mit faserverstärktem Muldenrand (Aluminiumoxidfasern)
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20.12.2011 Bild 44Anwendungsbeispiele von Werkstoffverbunden
Aluminiumsandwich
Aufbau eines Hylite-Verbundes und eine tiefgezogene Motorhaube aus Hylite, Corus Group
(Karmann)
Aluminiumsandwiche: vordere Schottwand, hintere SchottwandGewichtsminimierung 25%,Steifigkeitserhöhung bis zu 700% gegenüber Stahlblechteilen
Karosseriekonzept derFahrzeugstudie„Aluminium Foam Body“ (Karmann)
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20.12.2011 Bild 45Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 46
Vorderwagen
Motorhaube aus:Aluminium-BlechAluminium-Druckguss
Dachrahmen aus:Aluminium-Strangpressprofilen
Dachaus Aluminium
Rückwandaus Aluminium Heckdeckel
aus Kunststoff Heckmittelstückunten aus Aluminium
Heckboden
Kotflügelaus Aluminium
Ersatzradmuldeaus Kunststoff
B-Säule innen undC-Säule innen ausAluminium-Druckguss
Seitenwand aus:Aluminium-StrangpressprofilenAluminium-BlechStahl-Blech
Frontmodul ausStahl und Aluminium
StahlAluminiumMagnesiumKunststoff
Kotflügelaus Kunststoff
Türinnenteil aus:Magnesium-DruckgussTüraußenteil aus Aluminium-Blech
(Quelle: Mercedes-Benz)
Mercedes-Benz CL –
Multimaterial-Bauweise: Aluminium, Magnesium, Kunststoff und Stahl in Kombination
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20.12.2011 Bild 47VW-Projekt Super-Light-Car
Die Grafik zeigt den Materialeinsatz und die Verhältnisse der Baustoffe,mit denen die Leichtbau-Karosserie für einen Mittelklassewagen hergestellt wurde.
(Quelle: http://www.spiegel.de/fotostrecke/fotostrecke-46477-3.html, 04.10.2009)
AluminiumblechAluminiumgussAluminiumprofileStahlMagnesiumFaserverstärkter Kunststoff
Super Light Car: Gewicht 180 kg (-35 %, Δm -101 kg)
36%Stahl
53%Aluminium
4%Kunststoff
7%Magnesium
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20.12.2011 Bild 48Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 49Bauteile aus strukturiertem Feinblech
Großflächiges WärmeabschirmblechHexalleuchte
WärmeabschirmblechWaschmaschinentrommel
(Softwandtrommel)(Diedrichs)
(Diedrichs) (SITECO)
(Miele)
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20.12.2011 Bild 50
3-Punkt-BiegeversuchFeP04 / 0,5 - Zusammenfassung größte Biegesteifigkeiten
0 5 100
5
10
15
20
25
30
40
Stempelweg h [mm]
Stem
pelk
raft
F[N
]St
15 20 25 30 35 40 45 50
35
wölbstrukturiertWR 45°
walzstrukturiertWR 0°-neg.
kugelstrukturiertWR 90°-pos.
nicht strukturiert
Biegesteifigkeiten von Blechen
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20.12.2011 Bild 51Strukturierte Bleche im Automobilbau
(Quelle: Daimler AG)
Rückwand auswölbstrukturiertemAluminiumblech
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20.12.2011 Bild 52Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 53Carbon-Karosserie
Lamborghini
(Quelle: Lamborghini)
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20.12.2011 Bild 54Trend zum intelligenten Werkstoff-Mix
ThyssenKrupp Trend: Leichtbau-Lösungen im Multimaterial-Design
1.100 kg
1.400 kg
1.150 kg104 kg Sonstiges58 kg Elastomere
178 kg Kunststoffe40 kg Sonstige NE-Metalle23 kg Magnesium138 kg Aluminium
610 kg Stahl/Eisen
Veränderung
-17%+6%
+19%+13%+300%+36%
-10%
1970 2000 2010
Entwicklung Gewicht / Werkstoff-Mix Mittelklasse Kfz Europa
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20.12.2011 Bild 55Gliederung
2.
Leichtbau im Automobilbau
• Formleichtbau
• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK
• Fertigungsleichtbau
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20.12.2011 Bild 56
FügetechnikFügetechnik MontageMontage
BearbeitungBearbeitung
Fertigungsleichtbau
Nur optimierte Produktionstechnologien ermöglichen intelligenten Werkstoff-MixNur optimierte Produktionstechnologien ermöglichen intelligenten Werkstoff-Mix
Innovative Technologien zur Herstellung von LeichtbaustrukturenHydroforming, Superplastisches Umformen, Presshärten, Hybridfügeverfahren, ...
Innovative Technologien zur Herstellung von LeichtbaustrukturenHydroforming, Superplastisches Umformen, Presshärten, Hybridfügeverfahren, ...
(Quelle: nach ThyssenKrupp Automotive)
FERTIGUNGSLEICHTBAUFERTIGUNGSLEICHTBAUFERTIGUNGSLEICHTBAU
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20.12.2011 Bild 57Fertigungsverfahren Innenhochdruckumformen
(Quelle: INPRO)
pi
Innenhochdruck-Umformanlage Innenhochdruck-Umformen
1. Rohling einlegen
2. Werkzeug schließen und Axialzylinder verfahren
3. Hohlkörper befüllen, Hochdruck, Axialkräfte aufbringen
(Quelle: Müller Weingarten)
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20.12.2011 Bild 58Hilfsrahmen vorn
(Quelle: ThyssenKrupp Automotive)
Hilfsrahmen mit unterschiedlichenGeometrien für verschiedene Motor-varianten aus einem IHU-Werkzeug:
• Grundvariante V6 in Stahl (2,2 mm)
• Grundvariante V12 in Edelstahl
• TDI-Variante mit zusätzlichen Freigängen
• Sonderschutzvariante (4 mm)
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20.12.2011 Bild 59Kostensenkung durch Reduktion der Komplexität
HalbHalb--SchalenSchalenDesignDesign
Hydroform Hydroform TubularTubularDesignDesign
VorteileVorteileHydroformingHydroforming
„Funktionsintegriertes Design”
Anzahl Teile 6Fertigungsstufen 32Werkzeug 1.8 Mio €Materialeinsatz 18.0 kgFertigteil 12.0 kg
Anzahl Teile 1Fertigungsstufen 3Werkzeug 1.2 Mio €Materialeinsatz 8,5 kgFertigteil 7.9 kgBessere Biegesteifigkeit
Reduktion der EinzelteileReduktion der FertigungsschritteOptimierte Bauteileigenschaften(Biege- + Torsionssteifigkeit)Reduktion Gewicht + KostenHohe Qualität in Abmessungen
(Quelle: ThyssenKrupp Automotive)
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20.12.2011 Bild 60Fügeverfahren im Karosserierohbau
Widerstands-schweißen
Punkt-, Buckel-, ...
Schutzgas-schweißen
MIG, MAG, WIG, ...
Bolzen-schweißen
Laser-schweißen
Thermische Verfahren
EinpressenBolzen, Muttern,
Inserts
Falzen Clinchen NietenBlind-, Stanz-
nieten
Mechanische Verfahren
Kleben Kombinations-fügungen
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20.12.2011 Bild 61Fügen von unterschiedlichen Materialien beim S-Klasse Coupé
- 90 m Strukturklebenaht- 1400 Stanznieten- 280 Clinch-Punkte
- 190 Blindnieten- 100 Widerstandsschweißpunkte
(Aluminium-Aluminium) (Quelle: Mercedes-Benz)
StahlAluminiumMagnesiumKunststoff
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20.12.2011 Bild 62Gliederung
1.
Entwicklung im Automobilbau
2.
Leichtbau im Automobilbau
3.
Leichtbaukonzepte für Elektrofahrzeuge
4.
Zusammenfassung
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20.12.2011 Bild 63Leichtbaumaßnahmen bei konventionellen Fahrzeugen
und Elektrofahrzeugen
Konventionelle Fahrzeuge(Mittelklasse)
akzeptierbare Leichtbaukosten je eingespartem Kilogramm:
5 €/kg
• Hohlstrukturen (gebaute Nockenwelle)• Aluminium (Vorderwagen, Einhängeteile,
Karosserie, Fahrwerk)• Hybride Strukturen• Multimaterialeinsatz• Alu-Space-Frame
• CFK-Außenhautteile• CFK-Karosserie
Elektrofahrzeug
akzeptierbare Leichtbaukosten je eingespartem Kilogramm:
2 - 18 €/kg *
• Aluminium (Vorderwagen, Einhängeteile, Karosserie, Fahrwerk)
• Hybride Strukturen• Multimaterialeinsatz• Alu-Space-Frame
• CFK-Außenhautteile• CFK-Karosserie• Batteriegehäuse aus Aluminium oder CFK• Integration Batteriegehäuse• Neue Fahrzeugkonzepte
* abhängig von den spezifischen Batteriesystem- kosten (300 €/kWh bis 1000 €/kWh)
Leichtbaumaßnahmen Leichtbaumaßnahmen
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20.12.2011 Bild 64
Ges
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Konzeptioneller Leichtbau
Konstruktiver Leichtbau
Werkstoff
Beispiele für Leichtbaumaßnahmen im Elektrofahrzeug
(Quelle: ATZ 11/2010, TITELTHEMA ELEKTROFAHRZEUGE, Seite 794, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein, Dipl.-Ing. Fabian Schmitt, Dipl.-Ing. Bastian Hartmann, ika, RWTH Aachen)
CFK-Karosserie
Aluminium-Vorderwagen
CFK-Batteriegehäuse
Alu-Space-Frame
Multimaterial-Bauweise
Aluminiumeinsatz Fahrwerk
Kunststoffscheiben
Hybride Strukturen
CFK-AußenhautteileIntegration
Batteriegehäuse
Auswahl Zellchemie
Neue Fahrzeugkonzepte
X-by-Wire
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20.12.2011 Bild 65Veränderung der Massenverteilung im Elektrofahrzeug
gegenüber dem konventionellen Fahrzeug
(Quelle: ATZ 11/2010, TITELTHEMA ELEKTROFAHRZEUGE, Seite 792, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein, Dipl.-Ing. Fabian Schmitt, Dipl.-Ing. Bastian Hartmann, ika, RWTH Aachen)
23%21%
17%16%
20%
14%16% 15%
3%2%
21%
22%
10%
Karosserie Exterieur Fahrwerk Interieur Elektrik Antrieb
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
Ant
eil a
n Fa
hrze
ugm
asse
Batteriesystem
Konventionelles Fahrzeug
Elektro- fahrzeug
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20.12.2011 Bild 66Leichtbau bei Elektrofahrzeugen
Leichtbau bei Elektrofahrzeugen• Karosserie
• Fahrwerk
• Batteriesysteme
• Antrieb
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20.12.2011 Bild 67Karosseriekonzepte
KAROSSERIEKONZEPTEKAROSSERIEKONZEPTE
Selbsttragender Rahmen
Selbsttragender Rahmen
WERKSTOFFE:WERKSTOFFE:
• Stahl (höherfeste Stähle, höchstfeste Stähle, Borstähle, Edelstähle)• Aluminium• Magnesium• Kunststoff: Duroplaste, Thermoplaste, GFK, CFK• Mischbauweise
Rahmenbauweise• Leiterrahmen• Kastenrahmen• Zentralrohrrahmen
Rahmenbauweise• Leiterrahmen• Kastenrahmen• Zentralrohrrahmen
SchalenbauweiseSelbsttragende Karosserie
SchalenbauweiseSelbsttragende Karosserie
Skelettbauweise• Gitterrrohrrahmen• Space-Frame
Skelettbauweise• Gitterrrohrrahmen• Space-Frame
Mittragende Karosserie
Mittragende Karosserie
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20.12.2011 Bild 68LifeDrive-Architektur
des BMW i3 Concept
• Batteriezellen sind raumoptional in den Unterboden integriert
• Elektromotor, Getriebeeinheit und Antriebs- elektronik können platzsparend über der angetriebenen Hinterachse untergebracht werden
• LifeDrive-Konzept: Drive Modul (Rahmen aus Aluminium) bildet das stabile Fundament für die Life-Zelle (Carbon)
• Rahmen aus Aluminiumprofilen schützen die Batteriezelle; davor und dahinter sorgen zwei crashaktive Strukturen für die Energie- absorption im Falle eines Front- oder Heck- aufpralls
(Quelle: BMW)
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20.12.2011 Bild 69
• Fahrzeugrahmen aus Aluminium• Fahrgastzelle aus Carbon (CFK)• durch CFK-Technologie kann das Fahrzeuggewicht
gegenüber einem vergleichbaren Elektrofahrzeug um 250 bis 350 kg reduziert werden
• Gewicht 1250 kg (BMW 1er Modell 1365 bis 1440 kg)• Elektromotor mit 125 kW• Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 7,9 s
Elektrofahrzeug BMW i3
(Foto: BMW)
(Quelle: BMW)
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20.12.2011 Bild 70Fahrgastzelle in Spant-Space-Frame-Bauweise
(Quelle: DLR)
• Spant- und Space-Frame-Bauweise: Kombination von metallischen Strukturen mit CFK-Bauteilen
• Gewichtseinsparung gegenüber Vergleichsstruktur eines Mittelklassefahrzeugs 35 %
• extrem stabile, ringförmige Spantstruktur• geeignet für die Sicherheitsanforderungen
alternativer Antriebskonzepte• modularisierbar
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20.12.2011 Bild 71Elektrofahrzeug MUTE der TU München
(Quelle: http://www.mute-automobile.de/design/exterior.html; © Copyright Technische Universität München (Deutschland))
• Fahrzeugklasse Microcars (2 Personen)
• Fahrgastzelle aus Aluminium
• Crashelemente aus kohle- faserverstärktem Kunststoff
• Leergewicht 500 kg
• Antriebsleistung 15 kW
• Höchstgeschwindigkeit 120 km/h
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20.12.2011 Bild 72Demonstrator
Individualverkehr Fraunhofer E-Concept
Car Typ 0
(Quelle: Fraunhofer)
Ladegerät
Leistungselektronik
Crashsicheres Betriebssystem
Radnabenmotor
Energieerzeugung, -verteilung und -umsetzung:
Fahrzeugkonzepte:
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20.12.2011 Bild 73Radnabenmotor
(Copyright Springer-Verlag GmbH & Co.KG, Düsseldorf, Neue Antriebskonzepte und Komponenten für Elektroautos, S. 2, F.-J. Wöstmann, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik)
Rotorglocke
Rotor mit Magneten
Leistungselektronik
Kühler Leistungselektronik
Stator und Wicklung
Lagereinheit
Statorgehäuse
Explosionsdarstellung der wesentlichen Baugruppen des Fraunhofer-Radnabenmotors
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20.12.2011 Bild 74ebase
–
Das Leichtbaunetzwerk für Elektrofahrzeuge
Entwicklung einer innovativen Bodengruppe für Elektrofahrzeuge
AUFGABEN
• Fertigungs- und Konstruktionskonzepte für den begrenzten Stückzahlbereich von Elektrofahrzeugen in den nächsten Jahren
• Multimaterialsysteme für die Erreichung der Gewichts-, Steifigkeits- und Wirtschaftlichkeitsziele
• Abstimmung auf die speziellen Anforderungen der Elektrikaggregate bezüglich Crashsicherheit und Zugänglichkeit
Das Netzwerk umfasst mittelständische Automotiveunternehmen und Wirtschaftseinrichtungen:
Begleitung und nachhaltige Unterstützung der Initiative durch:
Wissenschaftliche Expertise:
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20.12.2011 Bild 75Gliederung
1.
Entwicklung im Automobilbau
2.
Leichtbau im Automobilbau
3.
Leichtbaukonzepte für Elektrofahrzeuge
4.
Zusammenfassung
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20.12.2011 Bild 76Zusammenfassung
Zusammenfassung:
• Neue Werkstoffe und Bauweisen ermöglichen Leichtbau im Automobilbau und tragen zur Energieeffizienz und Emissionsminderung bei
• Elektromobilität erfordert innovative Leichtbaulösungen zur Erhöhung von Energieeffizienz und Reichweitensteigerung
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20.12.2011 Bild 77
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit!
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