Durch die gestiegenen Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit und den Komfort ist ein kontinuierlicher Anstieg des Fahrzeuggewichts zu verzeichnen. Vor allem sind die Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit in den letzten Jahren deutlich 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 Beeinflussung des Kraftstoffverbrauchs einen entscheidenden Faktor dar, denn ein hohes Gewicht wirkt einer Absenkung des Kraftstoffverbrauchs entgegen.
Die Entwicklungen in der Fahrzeugindustrie, besonders die der crashrelevanten Bauteile, ist geprägt von analytischen und numerischen Berechnungen sowie anschließenden experimentellen Erprobungen. Eine schnelle Findung des optimaleren Werkstoffes, der die geforderten Ansprüche erfüllt, ist auch von ökonomischer Bedeutung. Durch Minimierung des Aufwands an Erprobungen reduzieren sich selbstverständlich auch die Kosten, die für eine spätere Änderung anfallen würden. Deshalb fällt der Werkstoffvorauswahl als Kostenfaktor eine 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 Frage 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 dieser wird versucht, durch einfache Berechnungen die unterschiedlichen Anforderungen zu vereinen.
Diese Arbeit soll Ansätze bieten für FEM - Analysen (Finite – Elemente - Methode). Da hier in diesem Rahmen keine spezifischen Kennwerte aus Zugversuchen 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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau
2.1 Übersicht aktueller Leichtbauwerkstoffe
2.1.1 Stahl als Leichtbauwerkstoff
2.1.1.1 Höherfeste Stähle
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 für Aluminiumschaum
4.5.4 Kennwertermittlung für Klebeverbindungen
5 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit untersucht das Ziel, das Gewicht von Fahrzeugkarosserien durch den Einsatz moderner Werkstoffe zu reduzieren, ohne dabei die Crash-Sicherheit zu beeinträchtigen. Die zentrale Forschungsfrage fokussiert sich auf die Identifikation geeigneter Materialien für Querträger und Crashabsorber unter Berücksichtigung von Gewichtseinsparung und Stabilitätsanforderungen.
- Analyse und Vergleich verschiedener Leichtbauwerkstoffe (Stahl, Aluminium, Magnesium, Verbundwerkstoffe).
- Bewertung der Anforderungen an moderne Crash-Management-Systeme (CMS).
- Methodische Werkstoffvorauswahl basierend auf mechanischen Kennwerten und Gütekennzahlen.
- Berechnung und Simulation von Kraftverläufen und Deformationsenergien bei unterschiedlichen Lastfällen.
- Untersuchung von Entwicklungstendenzen zur Optimierung von Bauteilsteifigkeit und Gewichtsreduktion.
Auszug aus dem Buch
2.1.1.2 Hochfeste Stähle
Wie schon in Kapitel 2.1.1.1 erwähnt sind die Übergänge zu den hochfesten Stählen sehr fließend. Man spricht von hochfesten Stählen, die in einem Zugfestigkeitsbereich von 500 N/mm² bis 950 N/mm² liegen (vgl.[18],S.82). Wie bereits in der Abbildung 2.6 zu sehen ist, gehören zu der Gruppe der hochfesten 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 die besonderen Gefügestrukturen, die in eine weichen ferritischen Matrix bzw. mehrere andere härtere Phasen eingebracht werden (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 aus einer feinkörnigen und kohlenstoffarmen ferritischen Matrix. In dieser Matrix sind bis 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 spröde macht und damit einer guten Umformbarkeit entgegensteht, verändert es bei dem DP-Stahl die 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).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung thematisiert den Zielkonflikt zwischen steigenden Sicherheitsanforderungen und dem Wunsch nach Gewichtsreduktion im Automobilbau und erläutert die Untersuchung eines vereinfachten Crash-Management-Systems.
2 Leichtbauwerkstoffe im Fahrzeugbau: In diesem Kapitel werden diverse Leichtbauwerkstoffe wie Stähle, Aluminium, Magnesium und Verbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Eignung für den Karosseriebau detailliert analysiert.
3 Aktueller Stand einer Vorderwagenstruktur: Hier werden die gesetzlichen Anforderungen sowie der Aufbau und die Funktionen eines Crash-Management-Systems und dessen Komponenten wie Prallkörper, Querträger und Absorber erläutert.
4 Werkstoffauswahl: Dieses Kapitel widmet sich der systematischen Werkstoffauswahl durch die Ermittlung mechanischer Kennwerte und Gütekennzahlen sowie der Berechnung der Deformationseigenschaften für verschiedene Materialkombinationen.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die Untersuchungsergebnisse zusammen und bewertet die Potenziale der verschiedenen Werkstoffoptionen für zukünftige Entwicklungen im Fahrzeugbau.
Schlüsselwörter
Leichtbau, Crash-Sicherheit, Fahrzeugbau, Crash-Management-System, Werkstoffauswahl, Stahl, Aluminium, Verbundwerkstoffe, Deformationsenergie, Finite-Elemente-Methode, Festigkeit, Steifigkeit, Gewichtsreduktion, Umformtechnik, Querträger.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit dem automobilen Leichtbau, speziell mit der Optimierung von Komponenten des Vorderwagens, um die Crash-Sicherheit bei gleichzeitig reduziertem Fahrzeuggewicht zu gewährleisten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit behandelt die Materialanalyse (Stahl, Leichtmetalle, Verbundstoffe), die konstruktiven Grundlagen von Crash-Management-Systemen (CMS) und die mathematische Auslegung dieser Bauteile hinsichtlich ihrer Energieaufnahme.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Identifikation und Bewertung von Werkstoffen, die eine hohe Energieabsorption bei einem Aufprall ermöglichen und gleichzeitig durch Gewichtsoptimierung den Kraftstoffverbrauch und die Effizienz des Gesamtfahrzeugs verbessern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden Literaturanalysen zum Werkstoffverhalten durchgeführt sowie vereinfachte mathematische Berechnungen zur Bestimmung von Spannungen, Dehnungen und Faltkräften angewendet, um eine fundierte Werkstoffauswahl für CMS-Bauteile zu treffen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der Werkstoffeigenschaften, die Beschreibung der aktuellen Vorderwagenstruktur, die mathematische Herleitung der Belastungsszenarien und die detaillierte Auswahl der Materialien basierend auf berechneten Gütekennzahlen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Leichtbau, Crash-Sicherheit, Werkstoffauswahl, Crash-Management-System, Energieabsorption, Stahl und Aluminium.
Warum spielt die Wandstärke bei der Werkstoffauswahl eine so wichtige Rolle?
Die Wandstärke beeinflusst direkt die Masse des Bauteils und damit das Gewicht des Fahrzeugs. Zudem ist sie entscheidend für das Biegesteifigkeitsverhalten und die kritische Knickspannung bei einem Aufprall.
Welchen Vorteil bietet die Verwendung von TRIP- oder TRIPLEX-Stählen im Vergleich zu konventionellen Stählen?
Diese Stähle ermöglichen aufgrund ihrer spezifischen Gefügestruktur eine höhere Festigkeit und Verfestigung im Crashfall, was den Einsatz geringerer Wandstärken bei gleicher oder verbesserter Energieaufnahme erlaubt.
- Citar trabajo
- Stefan Gerber (Autor), 2010, Leichtbau - Erhöhung der Crash-Sicherheit bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/188619
