Leichtbau - Erhöhung der Crash-Sicherheit bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Symbolverzeichnis

Lateinische Notation

Griechische Notation

1 Einleitung

2 Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau
2.1 Übersicht aktueller Leichtbauwerkstoffe
2.1.1 Stahl als Leichtbauwerkstoff
2.1.1.1 HöherfesteStähle
2.1.1.2 Hochfeste Stähle
2.1.1.3 Höchstfeste und ultrahochfeste Stähle
2.1.2 Aluminium als Leichtbauwerkstoff
2.1.3 Magnesium als Leichtbauwerkstoff
2.1.4 Tailored Produkte als Leichtbauwerkstoff
2.1.5 Faserverstärkte Verbundwerkstoffe als Leichtbauwerkstoff
2.1.6 Metallschäume als Leichtbauwerkstoff
2.1.7 Sandwichverbunde als Leichtbauwerkstoffe
2.2 Entwicklungstendenzen im Leichtbau
2.2.1 Entwicklungen in der Stahlforschung
2.2.2 Entwicklungen in der Kunststoffforschung

3 Aktueller Stand einer Vorderwagenstruktur
3.1 Gesetzliche Anforderungen an aktuelle Vorderwagenstruktur
3.2 Aufbau und Aufgaben aktueller Crash-Management-Systeme
3.2.1 Aufbau und Aufgaben eines Prallkörpers
3.2.2 Aufbau und Aufgaben eines Querträgers
3.2.3 Aufbau und Aufgaben eines Crashabsorbers
3.3 Belastungen eines Crash-Management-Systems
3.4 Verwendete Werkstoffe eines CMS
3.5 Tendenzen in der Entwicklung von CMS Bauteilen

4 Werkstoffauswahl
4.1 Allgemeine Vorberechnungen eines CMS
4.2 Werkstoffvorauswahl
4.3 Werkstoffauswahl für einen Absorber
4.4 Werkstoffauswahl für einen Querträger
4.5 Kennwertermittlung
4.5.1 Kennwertermittlung für faserverstärkte Kunststoffe
4.5.2 Kennwertermittlung für Sandwichelemente
4.5.3 Kennwertermittlung fürAluminiumschaum
4.5.4 Kennwertermittlung für Klebeverbindungen

5 Zusammenfassung und Ausblick

6 Literaturverzeichnis

Internetquellen

Interview

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1 Leichtbauaktivität am Beispiel Opel Astra 1991 bis 2002

Abb. 2.2 Gewichtszunahme von Fahrzeugen

Abb. 2.3 Veränderung der Werkstoffanteile

Abb. 2.4 Rohbau Werkstoffübersicht verschiedener Fahrzeuge

Abb. 2.5 Werkstoffvergleich C-Klasse

Abb. 2.6 Übersicht der Stähle im Automobilbau

Abb. 2.7 Spannungs-Dehnungsdiagramm von TRIP-Stahl

Abb. 2.8 Mechanische Eigenschaften von Aluminiumknetlegierungen

Abb. 2.9 Verwendung von Tailored Produkte

Abb. 2.10 Verwendung von Patchwork Blanks

Abb. 2.11 Verwendung von Hotform Blanks

Abb. 2.12 Verwendung von Engineered Blanks

Abb. 2.13 Einfluss der Faserlänge und des Faserdurchmessers

Abb. 2.14 Faserorientierung

Abb. 2.15 Bruchbilder in Abhängigkeit der Beanspruchungsrichtung

Abb. 2.16 Spannungs-Stauchungskurve von Aluminiumschaum

Abb. 2.17 Stoßfängerträgerund Längsträger mit Aluminiumschaum verstärkt

Abb. 2.18 Aufbau Sandwich-Verbund

Abb. 2.19CrashabsorberinAFS Bauweisemit angeschweißten Blechen

Abb. 2.20 Übersicht über mögliche Sandwichverbunde

Abb. 2.21 Rohbau Werkstoffübersicht an einem Forschungsfahrzeug

Abb. 2.22 Entwicklungen in der Stahlforschung

Abb. 2.23 Spannungs-Dehnungsdiagramm von TWIP-Stahl

Abb. 2.24 LFT-Technologie

Abb. 2.25 SMC-Technologie

Abb. 3.1 Kollisionstypen

Abb. 3.2 Kraftverlauf bei einem Frontalaufprall und Fahrzeugzonen

Abb. 3.3 Übersicht aktueller Crash Strukturen

Abb. 3.4 Befestigungsarten von Prallkörpern

Abb. 3.5 Querträger in Aluminiumbauweise und in Stahlbauweise

Abb. 3.6 Schematische Darstellung eines irreversiblen Absorbers

Abb. 3.7 Schematische Darstellung eines irreversiblen Absorbers in Rohrform

Abb. 3.8 Schematische Darstellung eines reversiblen Absorbers

Abb. 3.9 Darstellung und Einordnung eines CMS in die Vorbaustruktur

Abb. 3.10 Schematische Darstellung eines CMS bei 100% Überdeckung

Abb. 3.11 Schematische Darstellung eines CMS bei 40% Überdeckung

Abb. 3.12 Schematische Darstellung eines CMS bei 20% Überdeckung

Abb. 3.13 Schematische Darstellung eines CMS bei einem Schrägaufprall

Abb. 3.14 Schematische Darstellung eines CMS bei einem Pfahlaufprall

Abb. 3.15 Optimierungsergebnis einer Auslegung für einen Querträger

Abb. 3.16 Querträger aus GFT

Abb. 4.1 Schematische Darstellung eines CMS

Abb. 4.2 Schematische Darstellung eines Absorbers und eines Querträgers

Abb. 4.3 Schematische Darstellung des Kraft-Wege-Verlaufs einer Deformation65

Abb. 4.4 Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufs von TRIP-, TWIP- und TRIPLEX-Stahl

Tabellenverzeichnis

Tab. 2.1 prozentualer Werkstoffanteil einer C-Klasse

Tab. 2.2 Aluminiumlegierungen für Anhängeteile

Tab. 2.3Aluminiumlegierungen für unbewegliche Anschraubteile

Tab. 2.4 Aluminiumlegierungen für Strukturteile des Rohbauwagens

Tab. 2.5 Übersicht aktueller Tailored Produkte

Tab. 2.6 Bezeichnung und Kombinationen Faser-/Matrixwerkstoffe

Tab. 2.7 Überblick der Eigenschaften von Fasern

Tab. 3.1 Übersicht vorderwagenrelevanterCrashtests

Tab. 3.2 Übersicht gesetzlichervorderwagenrelevanter Crashtests

Tab. 3.3 Werkstoffübersicht und Verwendung

Tab. 4.1 Übersicht bestimmender Kennwerte von verwendeten Werkstoffen

Tab. 4.2 Übersicht der bezogenen Werkstoffeigenschaften und Gütekennzahlen

Tab. 4.3 Übersicht der Maße von Absorber, Querträger und CMS

Tab. 4.4 Bauteilspezifische Massen

Tab. 4.5Allgemeine Daten des Referenzfahrzeuges

Tab. 4.6 Deformationsenergie und aufzunehmende Kraft

Tab. 4.7 Übersicht der gewählten Werkstoffe und ihrer Kennwerte

Tab. 4.8 Gütekennzahlen für die Werkstoffauswahl eines Absorbers

Tab. 4.9 Übersicht der mittleren Faltkraft der Werkstoffe

Tab. 4.10 Übersicht der Masse und erhöhten gemittelten Faltkraft

Tab. 4.11 Gütekennzahlen für die Werkstoffauswahl eines Querträgers

Tab. 4.12 Übersicht der Kräfte bei einem Pfahlaufprall

Tab. 4.13 Möglichkeiten zur Erreichung der nötigen Biegesteifigkeit

Tab. 4.14 Gewichts- und Kraftveränderung eines Querträgers

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Symbolverzeichnis

Lateinische Notation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Griechische Notation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Durch die gestiegenen Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit und den Komfort ist ein kontinuierlicher Anstieg desFah rzeuggewichts zu verzeichnen. Vorallem sind die Anforderungen andie Fahrzeugsicherheit inden letzten Jahrendeutlich gestiegen. Neben einer Vielzahl von elektronischen Systemen kommt der Strukturauslegung noch immer eine entscheidende Rolle zu. Zusätzlich von den strenger werdenden Abgasnormen werden die Fahrzeughersteller gezwungen nicht nur sichere, sondern auch verbrauchsarmer Fahrzeuge zu produzieren. Das Fahrzeuggewicht stellt in der Beeinf lussung des Kra ftstoffverbrauchs einen entscheidenden Faktor dar, denn ein hohesGewicht wirkt einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs entgegen.

Konventionelle Stähle stehen zunehmend in Konkurrenz zu den Leichtmetallen und Faserverbundstoffen, mehrjedoch noch zu den weiterentwickelten höchstfesten und ultrahochfesten Stählen. DieVerw endung von Stahl wird von den Fahrzeugherstellern weiterhin bevorzugt, da hierfür die Technologien bereits bekannt sind, z usätzlich bietet Stahl herausragende Vorteile hinsichtlich der Recyclingfähigkeit. Der Zielkonflikt zwischen derimmer mehr gewichtssteigernden Sicherheits- und Komforttechnik und einer generellen Gewichtsabnahme istdurch den Einsatz gewichtssparender Werkstoffe in Kombination mit angepassten Konstruktions- und Fe rtigungstechniken im Automobilbau lösbar. Dank der verbesserten Eigenschaften von neuen S tahlwerkstoffen können diese zu einer Gewichtsreduzierung vorhandener Konstruktionen beitragen, beispielsweise durch eine Verringerung der Wandstärken oder in Verbindung mit dem Tailored Verfahren (vgl.[46],S.15).

Im Karosseriebau hat die passive Sicherheit durch die großeA nzahl der Verkehrsunfälle einen großen Stellenwert. Die Problemst ellung liegt in der Reduzierung desGewichts derFahrzeuge bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Crah-Sicherheit. In dieser Arbeit wird ein vereinfachtes Crash-Management-System (CMS) untersucht. Dieses ist au f Grund der Kollisionsarten wechselnden Herausforderungen unterworfen. Das Modell eines CMS wird hier vereinfacht gestaltet und nurdi e wichtigsten Teile der Struktur dargestellt, dies gibt aberdie grundsätzliche Charakteristik eines CMS wieder.

Die Entwicklungen in d er Fahrzeugindustrie, besonders die der crashrelevanten Bauteile, ist g eprägt von analy tischen und n umerischen Berechnungen sowie anschließenden experimentellen Erprobungen. Eine schnei le Findung des optimaleren Werkstoffes, der di e geforderten Ansprüche er füllt, ist auch v on ökonomischer Bedeutung. Durch Minimierung des Au fwands an Er probungen reduzieren sich selbstverständlich auch die Kosten, die für eine spätere Änderung anfallen würden. Deshalb fällt der Werkstoffvorauswahl als Kostenfaktorei ne besondere Bedeutung zu.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, für einen Querträger und für die Crashabsorber einen geeigneten Werkstoff zu finden, der die Anforderungen an die Crash-Sicherheit übertrifft und dabei eine Gewichtsersparnis bietet. Dabei soll zuerst auf die möglichen Werkstoffe, die für eine Verwendung im Karosseriebau in Fra ge kommen, eingegangen werden. Im weiteren Verlauf werden die Anforderungen an ein CMS näher beschrieben, um daraus Schlüsse auf die Belastungen zu ziehen und dadurch einen geeigneten Werkstoff zu wählen. Hierzu wurden zwei Crashfälle ausgewählt, anhand di eser wird versucht, durch einfache Berechnungen die unterschiedlichen Anforderungen zu vereinen.

Diese Arbeit soll Ansätze bieten für FEM - Analysen (Finite - Elemente - Methode). Da hier indiesem Rahmen keine spezifischen Kennwerte ausZug versuchen und Crashversuchen zu Grunde lagen, dienen diese Berechnungen nur einer Vorauswahl. Die hier nicht untersuchten Werkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe, Aluminiumschaum und Sandwichelemente können mit anderen Verfahren besser beurteilt werden, da das Versagensverhalten grundsätzlich ein anderes ist.

2 Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau

Leichtbauwerkstoffe gewinnen seit einigen Jahren immer mehr an Bedeutung im Fahrzeugbau, sodass d ie Hersteller verstärkt diese Werkstoffe einsetzen (siehe Abbildung 2.1). Durch steigende Forderungen seitens der Kunden n ach mehr Fahrzeugkomfort und Ausstattung und vor allem höheren Sicherheitsanforderungen hat das Fahrz euggewicht in den letz ten Jahren deutli ch zugenommen, wie in Abbildung 2.2 zu sehen ist (vgl.[8],S.340).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1 Leichtbauaktivität am Beispiel Opel Astra 1991 bis 2002 nach [8]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2 Gewichtszunahmevon Fahrzeugen nach [18]

Um Werkstoffe für den Leichtbau z u verwenden ist es v on entscheidender Bedeutung, die relevanten Kennwerte für den Karosseriebau zu kennen. Die Wahl des Werkstoffs hängt stark von den Materialeigenschaften wie Dichte, Steifig- und Dehnbarkeit, Bruchgrenzen, Fertigungs- und Verarbeitungseigenschaften und Recyclingfähigkeit ab. Neue Fügetechniken im Fahrzeugbau ergänzen klassische (Laser-)Schweißverfahren und ermöglichen das Zusammenfügen unterschiedlicher Werkstoffe. Moderne Klebetechniken werden für Stahl, Aluminium , Magnesium, Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe sowie Sandwichmaterialien entwickelt und erhöhen damitdie Möglichkeiten derVerwendung. Diecrashrel evanten Bauteile müssen so ausgelegt werden, dass sie im Falle einer dissipativen Energieaufnahme definiert plastisch verformen bevor es zum Versagen kommt. Daher sind di e wichtigsten Materialkennwerte die Streckgrenze (Rp), Zugfestigkeit (Rm), die Bruchdehnung (A) sowie der Elast izitätsmodul (E-Modul). Die ei gentliche maßgebende Größe ist für die Beurteilung der Festigkeit die Dauerfestigkeit, da in vielen Fällen di e Beanspruchung eines Bauteils zeitlich veränderlich ist (vgl.[27],S.54ff.). DieD ichte eines Werkstoffes istv on großer Bedeutung im Leichtbau. Im Wesentlichen geht es darum einen Werkstoff zu finden, der gleiche oder verbesserte mechanische Eigenschaften besitzt bzw. speziell die Crasheigenschaften erfüllt und dennoch ein geringeres Gewicht aufweist. Jedoch ist es nicht immersinnvoll nur nach einem Werkstoff zu suchen der ei ne geringere Dichte besitzt, es istauch üblich einen Werkstoff durch einen anderen zu ersetzen, der eine höhere Dichte besitzt. Dies istdann sinnvoll, wenn der Werkstoff mit der größeren Dichteeinewesentli ch höhere Festigkeit besitzt, dann kann durch diese Eigenschaft die Wandstärke des Bauteils verringert werden, was ebenfalls im Sinne von Leichtbau ist (vgl.[22],S.388ff.).

Abgesehen von einer Vielzahl von möglichen Werkstoffen im Fahrzeugbau und im Karosseriebau istderW erkstoff Stahl noch nicht ausder Fahrzeugindustrie wegzudenken. In derAbbildung 2.3 ist dargestellt, wie sich der Anteil der Werkstoffe innerhalb von 30Jahren verändert hat. Daraus wird ersichtlich, dass Stahl noch immer im Karosseriebau dominiert miteinem Anteil von mehrals 50%, aberauch, dass die Anteile von Aluminium und Kunststoffen deutlich gestiegen sind. Wo in den 80er-Jahren noch hauptsächlich Qualitätsstahl ST14 verwendet wurde, kommen heute Aluminium, Aluminium-Magnesium-Legierungen, hochfeste, höchstfeste und verstärkt auch ultrahochfeste Stähle z um Einsatz. Die Stahlhers teller entwickeln stetig neue Stahl konzepte, um de n Forderungen nach ei ner erhöhten Crashsicherheit sowie der Leichtbaugüte nachzukommen (vgl.[8],S.340f.,352,679).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.3 Veränderung der Werkstoffanteile nach [8]

Im Wesentlichen kommt esdarauf an, dass bei einer Leichtbaukonstruktion die Kräfte, die auftreten können, gleichmäßig und mit geringen Spannungskonzentrationen, also kerbarm, auf ein Minimum an Werkstoffquerschnitt zu verteilen. Dabei muss aber beachtet werden, dass der Querschnit t nur so w eit minimiert werden darf, um den Anforderungen an Stei figkeit zu genügen und dennoch die erforderlichen Maße an Druck-, Biege- undTorsionssteifigkeit erzielt werden. Um den Que rschnitt jedoch weiterhin möglichst gering zu halten werden beispielsweise Rippen oder sequenzielle Verstärkungen in den Konstruktionen integriert (vgl.[5],S.399ff.). Auch wenn bekannt ist, dass ein konsequenter Leichtbau durch das Zusam menspiel von Fertigungs-, Form-, Sto ff- und Konz eptleichtbau effektiver ist, so sol I sich diese Arbeit nur auf die reine Werkstoffsubstitution beschränken. Daher soll auch hier nur auf die Werkstoffe eingegangen werden, die für einen Leichtbau an einer Fahrzeugkarosserie von Bedeutung sind.

2.1 Übersicht aktueller Leichtbauwerkstoffe

Die Vielfalt der aktuell angebotenen Werkstoffe ist soweitreichend, dass in dieser Arbeit nur ei n kleiner Einblick gegeben werden kann. Besonders b ei den hi er angegebenen Kennwerten (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Dichte) unterscheiden diese sich innerhalb der Hersteller. Bei einigen Leichtbauwerkstoffen
wie den Faserverbundwerkstoffen, Metallschäumen und den Sandwichverbunden ist die Streuung der Kennwerte von Hersteller zu Hersteller so weitreichend, dass im Rahmen dieser Arbeit daraufverzichtetwurde, Kennwerte anzugeben.

Beginnend sollen einige Beispiele von verwendeten Werkstoffen im Fahrzeugbau aufgezeigt werden, speziell unterCrashg esichtspunkten. DieAbbildung 2.4 sol I zeigen, welche Werkstoffe im Großserienbau eingesetzt werden und welche Werkstoffe unter besonderen Leichtbauaspekten im Kl einserienbau verwendet werden. Gerade im Ber eich der Crash -Management-System (CMS), worauf sich diese Arbeit im Weiteren beziehen wird, haben sich die Werkstoffe verändert. Üblich für die Crashabsorber sind mikrolegierte Stähle nach DIN EN 10268 aus ZS TE340 (H320LA), ZSTE420 (H400LA) oderZSTE480 (H460LA), die Querträger bestehen seit längerem ausaushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen nachDIN EN 755-2, EN AW-6060. Zunehmend setzt sichderT rend durch, ein CMS vollständig aus Aluminium-Knetlegierungen EN AW-6060 zu verwenden (vgl.[60]).

Im Fahrzeugbau allgemein werden verstärkt warmumgeformte Martensitphasen­Stähle nachDINEN 10336 (Bsp.HD T1200M) incrashrel evanten Bereichen (Längsträger, B-Säule) eingesetzt. Im Bereich von Türen, Motorhauben und Kotflügeln werden zum einen nicht aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen nach DIN EN 755- 2 der 5000er-Reihe undz um anderen Tiefziehstähle nach DIN EN 10327 (Bsp.DX53D/DX54D) verwendet. Vereinzelt werden diese Anbauteile auch aus Kunststo ffen hergestellt, beispielsweise SMART. Bei den Strukturteilen setzen die Hersteller auf hochfeste Dualphasen-Stähle nach DIN EN 10336 (Bsp.HCT 980X) und auf Aluminium-Gusslegierungen (Bsp. EN AC-42100/EN AC-43000)nach DIN EN 1706. Diesist nur eine kleine Auswahl von denverwendeten Werkstoffen, da die Fahrzeughersteller nur sehr wenige Informationen preisgeben. Diehier aufgezeigten Werkstoffe stammen von BMW, Daimler, Opel und Porsche. Jedoch ist daran z u erkennen, dass v iele Hersteller auf einen Materialmix von Stahl und Aluminium setzen. Andere Wege dagegen geht Audi, bei diesem Hersteller setzt man verstärkt seit den Modellen A2 und A8 auf Ganz-Aluminium-Karosserien, ebenso wie die heutigen Modelle R8 und TT (vgl.[61]).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.4 Rohbau Werkstoffübersicht verschiedener Fahrzeuge in Groß- und Kleinserie nach [24], [25] und [26]

2.1.1 Stahl als Leichtbauwerkstoff

Die spezifischen Materialeigenschaften von Stahl haben sich in den letzten Jahren stark verändert, aktuell verfügbare Stahlsorten wurden optimiert oder es wurden neue entwickelt. Wie bereits im Kapitel 2 angedeutet, wurden die crashrelevanten Strukturen inden 80er-Jahren fast ausschließlich ausdem Qualitätsstahl ST14 (Werkstoffnummer: 1.0338, Kurzname: DC04)h ergestellt (vgl.[8],S.369f,679). Die Fahrzeugkarosserien wurden traditionell in großen Pressen her gestellt und meist durch Punktschweißen verbunden. Dieg eeigneten Stählew aren zunächst unlegierte, kohlenstoffarme, also einphasige Stähle, die fast ausschließlich aus dem Gefügebestandteil Ferrit bestanden (vgl.[5],S.479). Aktuell existieren Stähle (speziell Bor-legierte Stähle), die eine Streckgrenze von bis zu 1650 N/mm2 erreichen können (vgl.[8],S.369f,679). DerVor teil derhöher festen, hochfesten und höchstfesten Stähle liegt in einem wesentlich besseren Energieverzehr im Fall einer Deformation. Höherfeste Stähle können im Vergleich zu konventionellen weichen Tiefziehstählen mehr Aufprallenergie verzehren, je höherdie Streckgrenzwerte des Werkstoffes sind (vgl.[32],S.44). Auf Grund di eser Entwicklungen im Stahlbau werden zunehmend hochfeste, höchstfeste und ultrahochfeste Stähle eingesetzt, wie in Abbildung 2.5 und Tabelle 2.1 am Beispiel der Mercedes-Benz C-Klasse zu sehen ist (vgl.[20],S.43f.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.5 Werkstoffvergleich C-Klasse nach [20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2.1 prozentualer Werkstoffanteil einer C-Klasse nach [20]

Die Potenziale sind d amit relativ eindeutig, durch den Ei nsatz von di esen Werkstoffen erreicht man eine Verbesserung der Steifigkeit / Festigkeit, also auch eine Verbesserung der Crash Sicherheit und Gewichtsreduzierung durch Verringerung der Wandstärke. Trotz dieser Potenziale gilt esaberauchz u bedenken, dass Grenzen hinsichtlich der Umformbarkeit bei bestimmten Stahlsorten existieren durch ei ne erhöhte U mformkraft bzw. einem erhöhten Werkzeugverschleiß. Abbildung 2.6 sol I die verwendeten Stahlsorten und ihre Einteilung verdeutlichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.6 Übersicht der Stähle im Automobilbau in Anlehnung an [37]

Auch wenn keine eindeutige Normung und auch keine eindeutige Definition für die Gruppe der höherfesten Werkstoffe existiert, so spricht man von höherfesten Stahl bei einerZugfestigkeit von ca. 300 - 500 N/mm2 (vgl.[18],S.82). Jedoch muss man dabei auch berüc ksichtigen, dass es zu Unterschieden seitens der Hersteller kommen kann hinsichtlich der Eigenschaften. Der Übergang von höherfesten Stahl zu hochfesten Stahl ist sehr schwimmend und nicht eindeutig, es existiert also keine klare Abgrenzung, wie in Abbildung 2.6 zu sehen ist. Es existiert für die höherfesten Stähle selber lediglich die DIN EN 10268 : 1999, nach der diese teilweise genormt sind (vgl.[15],S.131).

Höherfeste Stähle:

- mikrolegierte Stähle (MHZ)
- phosphorlegierte Stähle (PHZ)
- IF-Stähle(HX)
- Bake-Harding-Stähle (BHZ)
- isotrope Stähle

Die mechanischen Eig enschaften dieser Stähle schließt an di e weichen Tiefziehstähle an. Unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Mindeststreckgrenzen und verbesserte Dehnungswerte können durch die Wahl der Stahlzusammensetzung und durch di e Steuerung der Ferti gungsparameter beeinflusst werden. Die Entwicklung dieser Stahlsorten wurde stetig vorangetrieben, sodass eine stetige Festigkeitssteigerung festzustellen ist und das bei verbesserten Verarbeitungseigenschaften (vgl.[8],S.680f.).

Kennzeichnend für mikrolegierte Stähle ist der sehrgeringe Kohlenstoffgehalt und die minimalen Anteile von Mangan, Silicium, Phosphor, Schwefel, Aluminium, Vanadium, Titan, Molybdän, Niob od er Bor. Zur Einstellun g der höheren Festigkeiten kommen abhängig von derArt derLeg ierungszusammensetzung unterschiedliche metallphysikalische Verfestigungsmechanismen zum Einsatz (vgl.[22],S.7). DieseLe gierungselemente wirken aushärtend undbew irken eine Kornfeinung der Ferritkörner. Die höher festen Stähle besitz en eine globulare Kornausbildung. Unabhängig von der Br uchdehnung, die sich ni cht wesentlich ändert, lässt sich die Streckgrenze steigern mit kleiner werdenden Durchmesserder Ferritkörner. Bestimmend für die Korngröße ist die chemische Zusammensetzung, Warmbandtemperaturführung und der Kaltwalzgrad. Eineweitere Möglichkeit zur Verfestigung ist die Mischkristallverfestigung, in der Elemente wie Mangan, Silizium oder Phosphor in das Ferritgitter eingebracht sind und so zu einer Steigerung der Streckgrenze und derZugfesti gkeit führen (vgl.[32],S.23-28). Stähle, die auch bei Überhitzung noch ei n feinkörniges Gefüge besitzen und ni cht nur im Ausgangsgefüge, werden auch als Feinkornstähle bezeichnet (vgl. [5],S.493).

Phosphorlegierte Stähle haben ei nen wesentlich höheren Phospho rgehalt, neben den anderen Leg ierungselementen, als die mikrolegierten Stähle. Die Stei gerung der Zugfestigkeit und Streckgrenze erfolgt durch eine Mischkristallbildung und damit zu einem verzerrten Ferritgitter (vgl.[22],S.4). Bereits ein Anteil von 0,01% Phosphor bewirkt eine Streckgrenzenerhöhung um ca. 8 N/mm2. Vorteil dabei ist, dass es in Sachen Umformbarkeit vergleichbar bleibt mit den Tiefziehstählen (vgl.[32],S.23-28).

Eine weitere Besonderheit in der Gruppe der höherfesten Stähle stellen die IF-Stähle (Interstitial Free) dar. Die haben besonders gute Umformeigenschaften, da dies ein Stahl ohne intersti tiell eingelagerte Legierungsbestandteile ist. Die Stickstoffatome und Kohlenstoffatome sind durch NioboderT itan so abgebunden, dass diese im Metallgitter die Eisenatome nicht substituieren.

Bake-Harding-Stähle sind Kaltbandstähle mit ei ner Kohlenstoffübersättigung, was bei Raumtemperatur eine sehr gute Alterungsbeständigkeit erzielt. Der Bake-Harding-Effekt bewirktei ne zusätzliche Steigerung (ca. 40 N/mm2) der Streckgrenze durch einen gezielten Einfluss über die chemische Zusammensetzung auf den Ausschei dungsvorgang von kohlenstoffarmen Stählen während des Einbrennens desAutolac kes (170-200°C) infolge einer kontrollierten Kohlenstoffalterung. Ein wesentlicher Vorteil bei dieser Art von Stählen ist die gute Kaltumformbarkeit im Anlieferzustand, in diesem Zustand ist die Streckgrenze noch verhältnismäßig gering, die Mindeststreckgrenzen liegen hier im Bereich von 180 - 300 N/mm2. Isotroper Stahl ähnelt dem Bake-Harding-Stahl, er ist im Anlieferungszustand in den Mindeststreckgrenzen von 210 - 280 N/mm2 lieferbar und besitzt ebenfalls einen Bake-Harding-Effekt. Auf die Kornfeinung wird gezielt Einfluss genommen über die Ausscheidung von Titan (vgl.[32],S.23-28; vgl.[8],S.682).

Wie schon in Kapitel 2.1.1.1 erwähnt sind die Übergänge zu den hochfesten Stählen sehr fließend. Man spricht v on hochfesten Stählen, di e in ei nem Zugfestigkeitsbereich von 500 N/mm2 bis 950 N/mm2 liegen (vgl.[18],S.82). Wie bereits in derAbbildung2. 6 zu sehen ist, gehören zu derGruppederh ochfesten Stähle:

- Dualphasen-Stahl (DP)
- Restaustenitischer-Stahl (RA, TRIP/TWIP)
- Complexphasen-Stahl (CP)

Sowohl der DP-Stahl, CP-Stahl als auch der TRIP-/TWIP-Stahl gehören zu der Gruppe der Mehrphasen-Stähle. Kennzeichnend sind di e besonderen Gefügestrukturen, in di e in ei ner weichen ferritischen Matrix ein bzw. mehrere andere härtere Phasen eingebrachtwerden (vgl.,[8],S.682).

Dualphasen-Stahl ist ein Zweiphasen-Stahl, dies wird erreicht durch eine Kombination von Mikrolegierungselementen und einer Wärmebehandlung beim Walzen und einer anschließenden schnellen Abkühlung (vgl.[22],S.5). Das Gefüge bei dem DP-Stahl besteht au s einer feinkörnigen und kohlenstoffarmen ferritischen Matrix. In di eser Matrix sind bi s zu 20% kohlenstoffreiche Martensitinseln eingelagert. Durch diese Gefügezusammensetzung verbindet der DP-Stahl eine hohe Festigkeit mit einer sehr guten Umformbarkeit. Obwohl Martensit den Stahl hart und sp röde macht und dami t einer guten Umformbarkeit entgegensteht, verändert es bei de m DP-Stahl di e kontinuierliche Ferritmatrix nicht. Bei der Umformung kommt es zu einer starken Verfestigungswirkung, daher haben sie eine eher niedrige Dehnungsgrenze und eine hohe Festigkeit (vgl.[5],S.479).

Zur Verfestigung von restaustenitischen Stahl, auch TRIP-Stahl genannt, verfügt dieser übereinen verformungsinduzierten Phasenumwandlungsprozess. Durch das Einbringen von einer Umformenergie wie in einem Crashfall wandelt metastabiler Restaustenit, welcher kubisch-flächen-zentriert ist, in kubisch-raum-zentrierten Martensit um. Durch di ese Umwandlung ist es möglich, hohe Dehnungswerte und höchste Verfestigungsexponenten zu erreichen. Bei dieser Artvon Stählen wird die Martensitbildung begünstigt durch relativ hohe Kohlenstoffgehalte (>0,2%), jedoch beeinträchtigt der Kohlenstoffgehalt auch die Schweißbarkeit. Um diesen Nachteil auszugleichen enthält TRIP-Stahl 15% Mangan, was eine gute Verfestigung zur Folge hat ohne die Dehnung in einem größeren Ausmaß zu verringern, des weiteren verbessert der Mangangehalt die Schweißbarkeit. Wie in Abbildung 2.7 zu sehen ist, besitzt TRIP-Stahl sein größtes Potenzial in den mechanischen Eigenschaften, trotz einer relativ hohen Festigkeit bleiben noch sehr gute Dehnungsreserven übrig. Auf Grund des he rstellungsbedingten Umformvorgangs (Streck- bzw. Tiefziehen) verfestigt sich der TRIP-Stahl, jedoch bleibt für den Crashfall eine Dehnungsreserve von ca. 5 %. Einsatzgebiete von TRIP-Stählen sind aktuell beispielsweise B-Säulenverstärkungen (vgl.[14],S.36-41).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.7 Spannungs-Dehnungsdiagramm von TRIP-Stahl nach [14]

Complexphasen-Stahl stellt den Übe rgang zwischen den hoch festen und höchstfesten Stählendar.Dieserz eichnet sich durchei n niedriglegiertes, sehr feinkörniges Gefüge mit einer sehr homo genen Verteilung aus, darüber hinaus liegen harte Phasen ne ben weicheren Gefügebestandteilen. CP-Stahl besteht im Wesentlichen aus einem feinkörnigen ferritisch-bainitisch-martensitischen Gefüge. Eine Verfestigung durch Ausscheidungshärtung findet durch eine feine Karbid- bzw. durch eine Nitridausscheidung statt. Dieüblichen Festigkeiten beiden CP-Stählen liegen im Bereich von 800 - 1000 N/mm2 (vgl.[8],S.682.).

Ab einer Zugfestigkeit von ca. 950 N/mm2 spricht man von höchstfesten bzw. ultrahochfesten Stählen. Auchdiese Stähle gehören zu den Mehrphasen-Stählen (vgl.[18],S.82). Dazu gehören:

- Partiell Martensitischer-Stahl (PM)
- Martensitphasen-Stahl (MS)
- Mangan-Bor-Iegierter Stahl

Partiell Martensitischer Stahl besitzt ein Gefüge aus einem Ferritanteil von mehr als 60% und ei nen Martensitanteil von mehr als 20%. Auf Grund dieser Gefügezusammenstellung hat PM-Stahl eine niedrige Streckgrenze bei hoher Zugfestigkeit (vgl.[57],S.17,30). Wie der DP-Stahl besitzt der PM-Stahl einen Bake-Harding-Effekt und ein Verfestigungsverhalten, allerdings nicht sostark ausgeprägt. Daher findet dieser Stahl meist Anwendung in Bereichen, in denen eine geringe Umformbeanspruchung vorliegt (vgl.[54],S.21).

Der Festigkeitsbereich von Martensitphasen-Stahl reicht bis ca. 1400 N/mm2 (vgl.[28],S.191). Im Wesentlichen besteht das Gefüge aus 100% Martensit, daraus resultiert eine sehrhohe Festigkeit. DerMS-Stahl besitzt trotz derFestigkeit eine relativ gute Kaltumformbarkeit. Bei der Umformung kommt es zu einem Work-Harding- undzusätzlich zu einem Bake-Harding-Effekt, was eine Steigerung der Streckgrenze von ca. 70 N/mm2 zur Folge hat.Jedo ch istvon einer Wärmebehandlung von über250°C abzuraten, da es dadurch zu einer Verringerung der Zugfestigkeit und Streckgrenze kommen kann. DerVorteil gegenüber dem CP-Stahl liegt in einem höheren Crashdeformationswiderstand (vgl.[52],S.1-7).

Mangan-Bor-Iegierter Stahl gehört zu der Gruppe der warmumgeformten Vergütungsstähle. Erzeichnet sichdurchei ne gute Umformbarkeit im kalten Zustand aus und läss t sich durch Presshärten, Formhärten oder Hot Stamping verfestigen, sodass eine Festigkeitv on ca.16 50 N/mm2 erreicht werden kann (vgl.[33],S.7). Borv erzögert nachder Wärmebehandlung beimAb kühlen die Umwandlung von Austenit an den Korngrenz en, dadurch entsteht Martensit, wobei eine Festigkeit im Anlieferungszustand von ca. 350 - 600 N/mm2 je nach Hersteller vorliegt (vgl.[43],S.19). Die hohenFestigk eiten entstehende ch einen geringen Anteil von Borneben Kohlenstoff, Mangan und Chrom (vgl.[6],S.196f.,357).

2.1.2 Aluminium als Leichtbauwerkstoff

Aluminium mit sei nen Legierungen besitzt Materialeigenschaften, die sichf ür Leichtbaukonstruktionen hervorragend eignen. Durch sei ne unterschiedlichen Legierungstypen lässtsich ein breitesS pektrum von mechanischen und technologischen Materialeigenschaften abdecken (vgl.[17],S.43). Auf Grund der enormen Vielfalt soll sich hier nurauf die Legierungstypen beschränkt werden, die für den Fahrzeugbau von Bedeutung sind. Einzug hielt Aluminium in den letzten 50 Jahren in Fahrz eugen zuerst als Formgussteile, vornehmlich im В ereich des Antriebsstrangs undd es Wärmetauschers (vgl.[23],S.12f.). Auf Grund seiner geringeren Dichte, hohen Steifigkeit und Festigkeit sowie die gute Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wird dieser Werkstoff verstärkt im Karo sseriebau verwendet (vgl.[8],S.371). DieAluminiumanw endung wird imKaro sseriebau grob unterteilt nach Einsatzgebieten:

- bewegliche Anhängeteile (Türen, Klappen, etc.)
- unbewegliche Anschraubteile (Kotflügel, CMS, etc.)
- Struktur des Rohbauwagens

Bewegliche Anhängeteile wie Türen, Hauben und Klappensindsel bsttragende, steife Bauteile, die aus mehre ren Elementen zusammengesetzt sind. Die Anforderungen liegen hierbei eher bei einer guten Umformbarkeit, Streckziehbarkeit, ausreichender Beulfestigkeit und ei ner guten Oberflächenbeschaffenheit für Lackierzwecke. Im Durchschnitt lässt sich durch Aluminium-Knetlegierungen im Bereich derAnhäng eteile, siehe Tabelle 2.2, ei ne Gewichtsreduzierung von ca. 50% erreichen gegenüber Stahl (vgl.[23],S.27f.). Als unbewegliche Anschraubteile können in e rster Linie die Stoßfängersysteme (Crash-Management-Systeme) genannt werden. Auch wenn Kotflügel in diese Gruppe eingeordnet sind, so sind sie von den Materialanforderungen eherderG ruppe derbeweglichen Anhängeteile zuzuordnen. NebendemVorteil derGewichtsreduzierung besteht auch ein großer Vorteil im Crashfall durch ein höheres elastisches Verhalten, was wiederum zu einer Schadensminderung und vor allem zu einer Reduzierung derStoßbeschleunigung (g-Wert) führt. Auf Grund derAnf orderungen werden überwiegend höherfeste, warmausgehärtete Aluminiumlegierungen verwendet, siehe Tabelle 2.3 (vgl.[23],S.30).

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Tab. 2.2 Aluminiumlegierungen für Anhängeteile (Motorhaube) nach [23]

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Tab. 2.3 Aluminiumlegierungen für unbewegliche Anschraubteile (CMS) nach [23]

Strukturteile desRohbaussindT eile, die zu derTra gstruktur eines Fahrzeuges gehören und im ni cht sichtbaren Bereich liegen. Je nach Serien große kommen Profilkonstruktionen, Mischkonstruktionen (Profil- und Fo rmgussteil) und Blechkonstruktionen zum Einsatz, sieheTabelle 2.4. In den letzten Jahren haben sich die Knet- und Gusslegierungen im Karosseriebau stetig erweitert. Im Bereich der Karosseriebleche kommen naturharte AlMg-Legierungen und a ushärtbare AlMgSi-Legierungen zum Einsatz, wobei die AlMg-Legierungen nicht für Außenhautteile geeignet sind. Da es durch die Umformung zu Fließfiguren kommen kann, werden diese meist fürlnnen teile verwendet. Fürdie Profilkonstruktionen werden AlMgSi-Legierungen verwendet, diese haben ei n optimales duktiles Faltverhalten (Vanadium-Zusatz) in ei nem Crashfall und ei n sehr geringes Bruchverhalten (Mangan-Zusatz). Bei den Ble chkonstruktionen ist es gerade im Außenhautbereich von entscheidender Bedeutung, dass die Legierungen auf die Oberflächeneigenschaften abgestimmtsind (vgl.[23],S.31-37).

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Tab. 2.4 Aluminiumlegierungen für Strukturteile des Rohbauwagens nach [23]

Wie bereits erwähnt istder Werkstoff Aluminium von derVerwendung undderen Untergliederung her sehr umfangreich, ein Überblick über die Eigenschaften von Aluminiumknetlegierungen werden inAbbildung 2.8dargestellt. Durch die Vielzahl werden in d iesem Abschnitt nur die Aluminium-Knetlegierungen, die für die Crashauslegung von Bedeutung sind, näher erläutert. Wie in der Tabelle 2.3 und 2.4 zu sehen ist kommen meist aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen der Serie 6000 (AlMgSi) und der Serie 7000 (AIZnMgCu) zum Einsatz.

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Abb. 2.8 Mechanische Eigenschaften von Aluminiumknetlegierungen nach [11]

Allgemein gilt für die warmaushärtenden Knetlegierungen, dass mit abnehmender Temperatur sich auch die Löslichkeit der Elemente Cu, Si, Mg und Zn reduziert. Bei diesen Legierungen erfolgt eine Festigkeitssteigerung ohne ei ne wesentliche Verringerung der plastischen Verformbarkeit. Auf die Festigkeits- und Dehnungswerte kann gezielt Einfluss genommen werden durch eine Veränderung der Auslagerungszeit und Auslagerungstemperatur (vgl.[15],S.153).

Aluminium-Knetlegierungen der бОООег-Serie zeichnen sichbe sonders durchdie gute Schweißbarkeit, gute Kalt- und Warm-Umformbarkeit und der gut spanenden Bearbeitung im aus gehärtetem Zustand aus. Günstige Festigkeitseigenschaften werden erreicht durch ein Kalt- bzw. Warmaushärten. Der Zugfestigkeitsbereich der 6000er-Serie liegtje nach Wärmebehandlung und Legierungszusammensetzung bei ca. 120 N/mm2 bis ca. 320 N/mm2 und einer Bruchdehnung von ca. 8% -16% (vgl.[12],S.164ff.).

Unter den Aluminium- Knetlegierungen besitzt die 7000er-Serie die höchsten Festigkeitswerte. Hohe Festigkeiten werden hier durch ei ne Warmaushärtung erreicht. Die Verarbei tungseigenschaften ähneln stark denen der 600 Oer-Serie, jedoch ist z u erwähnen, dassei nige Legierungen dieser Serie nurbedi ngt schweißgeeignet sind. Wie auch bei der 6000er-Serie ist der Zugfestigkeitsbereich abhängig von der Wärmebehandlung und Legierungszusammensetzung. Bei diesen Legierungen reicht der Zugfestigkeitsbereich von ca.220 N/mm2 bis zu 540 N/mm2 und einer Bruchdehnung von ca. 7% -15% (vgl.[12],S.164ff.).

Exemplarisch für die Verwendung vom Werkstoff Aluminium im Fahrzeugbau ist die Audi AG. Das Kon zept, die Karosseriestruktur vollständig aus Aluminium herzustellen, istbesser bekannt unter dem Namen Audi Space Fra me (ASF). Bei dem aktuellen A8-Modell konnte somit eine Gewichtseinsparung von 140 kg erreicht werden imVergleich zu der konventionellen Stahlbauweise. Jedochist dabeizu beachten, dassbean spruchte Aluminiumbauteile größerdi mensioniert und konstruktiv angepasst werden müssen au f Grund der geringeren Festigkeit im Vergleich zu einer Stahlbauweise, sodass sich das Potenz ial der Gewichtseinsparung wieder etwas relativiert. Praxisnahe ist die Aussage, dass 1 kg Stahl durch 0,6 kg Aluminium ersetzt werden kann (vgl.[35],S.27f.).

2.1.3 Magnesium als Leichtbauwerkstoff

Der Werkstoff Magnesium wird aktuell nicht in größeren Mengen im Karosseriebau eingesetzt, da di eser eine relativ hohe Korrosionsneigung sowie eine geringe Bruchdehnung hat un d momentan noch se hr kostenintensiv sowohl in der Herstellung als auchinderVerarbeitun g ist (vgl.[8],S.371). DieFormänderun g gestaltet sich besonders schwierig im kalten Zustand auf Grund des hexagonalen Gitteraufbaus. DieUmformung sollte nur bei Temperaturen von mehr als 225°C erfolgen, da sonst die Gefahr einer Spannungsrisskorrosion besteht. Auf Grund der sehr hohen Entflammbarkeit von Magnesiumspänen bzw. Magnesiumstäuben ist die spanende Verarbeitung nur unter großen Sicherheitsv orkehrungen möglich. Verwendung findet Magnesium heute jedoch schon für dynamische Langzeitbeanspruchungen in Getr iebeteilen und im Antr iebsstrang als Gussteil. Durch die gute Gießbarkeit von Magnesium kann esz u filigranen Bauteilen vergossen werden, was wiederum zu einer Verringerung von Schraub- oder Nietverbindungen führt. Reinmagnesium ist aus technischer Sicht also eher ohne Bedeutung, nur durch Legierungszusätze gewinnt dieser Werkstoff an Bedeutung (vgl.[17],S.49f.).

Legierungszusätze:

- Zink (Erhöhung der Zähigkeit)
- Aluminium (Festigkeitsseigerung und bes sere Aushärtbarkeit)
- Mangan (Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und bessere Schweißbarkeit)
- Zirkon (verbesserte Warmfestigkeit)

Magnesiumlegierungen sind meist dauerfester - wenn man von einer schwingenden Beanspruchung ausgeht - als höherfester Aluminiumlegierungen, was gerade im Fahrzeugbau von Bedeutung ist (vgl.[17],S.49f.). Die Herausforderung liegtvielmehr darin, Magnesium auch für crashrelevante Bauteile zu verwenden. Auch wenn Magnesium-Legierungen für Crashbauteile auf Grund der Zugfestigkeit von 150 N/mm2 bis 250 N/mm2 (E-Modul 45000 N/mm2) nicht als Einzelteil allein in Frage kommt, so besteht aber die Möglichkeit, durch eine Verwendung mit anderen Werkstoffen Gewichtsvorteile zu erreichen (vgl.[29],S.268). Zusätzlich können Bleche aus gießgewalztem Magnesium ihre Festigkeit um 20% steigern, wenn die Dehnrate erhöht wird, was ineinem Crashfall vonVorteil sein würde. Besondere Leichtbauaspekte besitzt Magnesium, da es um rund ein Drittel leichter ist al s Aluminium. Magnesium besitzt eine Dichtevonnur1,74 kg/dm3, Aluminium 2,7 kg/dm3 (vgl.[34],S.4,34 - 43).

2.1.4 Tailored Produkte als Leichtbauwerkstoff

Tailored Produkte eignen sich besonders zur Gewichtsreduzierung, da diese auf die jeweiligen Bedürfnisse und Anforderungen angepasst werden können. Alle Tailored Produkte liegen dem gleichen Prinzip zu Grunde: wo eine hohe lokale Belastung auftritt werden Stähle von höherer Festigkeit eingefügt und die Blechdicke wird an den Stellen verstärkt, an denen höhere St eifigkeitsanforderungen gestellt sind. Durch diese Technologie können Gewichtseinsparungen von ca. 25% erzielt werden (vgl.[35],S.28f.). Die Gliederung und damit die Vielfalt der Tailored Produkte sind in Tabelle 2.5 z u sehen. Auf Tailored Stripes und Tailored Orbitals wird hier nicht weiter eingegangen, da diese nicht für crashrelevante Bauteile von Bedeutung sind.

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Tab. 2.5 Übersicht aktueller Tailored Produkte in Anlehnung an [48]

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