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3

1. Anforderungen vom Nutzer an das Automobil

2. Anforderungen an die Gebrauchseigenschaften von Automobilblechen

1. Mechanische Eigenschaften Festigkeit, Duktilität, Crashfall

2. Chemische Eigenschaften Korrosion

3. Optische Eigenschaften Rauheit der Oberfläche

3. Anforderungen vom Hersteller an die Fertigungseigenschaften von Automobilblechen

1. Mechanische Eigenschaften Umformen, Trennen, Fügen

2. Festigkeitssteigerung (Effekte)

4. Karosseriebauweisen – Allgemeine Anforderungen und Karosseriearten

5. Schlussfolgerungen für Auswahl aktueller Werkstoffe

Gliederung

3

4

Geschichte der Stahlbleche im Automobilbau

11.10.2018www.tu-ilmenau.deSeite 4

5

Stahlblechanteil in aktuellen Automobilen


6

Herstellbarkeit

Sicherheit

Kraftstoff-verbrauch

CO2-Emission

Komfort

Fahrzeug-gewicht

Fahrleistung

Kosten

Fahrspaß

Zuverlässigkeit & Qualität

Recycling


6

7

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1970 1980 1990 2000 2010 2020

Lee

rgew

ich

t [k

g]

Jahr

Leergewicht eines typischen Mittelklasse-Fahrzeugs

Auswahl einiger „neuer“ Zusatzbauteile und deren Gewicht• Antiblockiersystem (~10 kg)• größere Räder und Bremsen (14 kg)• Niveauregulierung (13 kg)• verbesserte Sitze (5,8 kg)• verbesserter Korrosionsschutz (30 kg)• Automatikgetriebe (30 kg)

???


7

8

Politischer Druck: CO2-Reduktion und Kraftstoffeinsparung

Streben nach Leichtbau, Gewichtsreduzierung berechtigt

Eine Möglichkeit: Werkstoffe optimieren und damit Gewichtsreduktion

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Schmalere ReifenSpiegelersatzsysteme

GewichtsreduktionLeichtlauföl (Motor & Getriebe)

Kühlwasser-WärmespeicherRekuperation der Bremsenergie

5+E GetriebeSchaltanzeige

Start-Stopp-Automatik

Verbrauchseinsparung [l/100km]

Möglichkeiten der Kraftstoffeinsparung


8

9

Geometrie- & belastungsabhängige Leichtbaukriterien für Karosserie-Elemente Werkstoffgerechte Konstruktion erforderlich Stoff-, Konzept- und Fertigungsleichtbau Beanspruchungsfälle müssen bekannt sein

Crashverhalten

Membransteifigkeit

Zug-/Druckfestigkeit

Plattenbiegesteifigkeit(z.B. Dach) Plastisches

Biegeverhalten(z.B. B-Säule)

Torsionssteifigkeitvon Profilen

Knickfestigkeit

2. Anforderungen an Automobilbleche im Alltag

9

10

Geometrie- & belastungsabhängige Leichtbaukriterien für Karosserie-Elemente Werkstoffgerechte Konstruktion erforderlich Stoff-, Konzept- und Fertigungsleichtbau Beanspruchungsfälle müssen bekannt sein


10

11

Kriterien zur beanspruchungsgerechten Auswahl des Materials

Flächige Bauteile (ohne Außenhaut)

Membransteifigkeit Biege-/Beulsteifigkeit

Außenhautbauteile

Membransteifigkeit

Biege-/Beulsteifigkeit

Beulfestigkeit

Profile der Struktur

Zug-/Drucksteifigkeit Biegesteifigkeit

Festigkeitsbestimmende Bauteile

Zug-/Druckfestigkeit

Wichtig bei crash-relevanten Bauteilen: Bruchdehnung!!!

E

3 E

E

3 E

2,0pR

E

3 E

2,0pR


11

12

Beispiel: Plattenbiegesteifigkeit bei Außenhautbauteilen (I)Ziel: möglichst geringes Gewicht


12

tblVm Masseminimum:

Flächenträgheitsmoment:12

3tbI z

Parameter S:3l

IEC

f

FS

Daraus folgt:3/12

3/13/1 1

)12(

C

bl

EStb

Daraus folgt:

Schlussfolgerung für Materialeffizienz: maximieren

3 EM P

𝑓(F, f): Funktion der Kraft und Durchbiegung𝑓(G): Funktion der Geometrie𝑓(W): Funktion des Werkstoffs

𝑓(F, f) 𝑓(G) 𝑓(W)

minimale Durchbiegung f bei gegebener Kraft F

3/12

3/123/1

3/12

3/13/1 )12(

1)12(

El

C

bS

C

bl

ESlm

13

Beispiel: Plattenbiegesteifigkeit bei Außenhautbauteilen (II)

möglichst groß Bauteil vorgegeben

Bauteildickevariierbar

Werkstoffvariierbar

Aber: Gewicht (Dichte) des Bauteils bei der Werkstoffauswahl berücksichtigen.Deswegen für Plattenbiegesteifigkeit:

3 E

• theoretische Gewichtsreduzierung durch Aluminium bei gleicher Plattenbiegesteifigkeit ca. 50 %(Al Dicke 1,0 mm, Stahldicke 0,7 mm)

• Praxis: Mehrschaligkeit der Bauteile -> erhöhtes Flächenträgheitsmoment => Gewichtsreduzierung durch Aluminium ca. 40 %

• Moderne Sandwichbleche (0,25 mm Stahl und 0,7 mm Kunststoff) erheblich steifer (Recycling?); Gewichtseinsparpotential durch Aluminium nur noch ca. 25 %


13

Etl

b

l

EI

f

FS

3

33 4

3

14

Blechherstellungsroute am Beispiel Stahl


15

Blechumformverfahren


Warmumformen

Umformen mit Wirkmedien

Umformen mit starrem Werkzeug

• Presshärten (>900 °C)

• Halbwarm-umformen(<600 °C)

• Tiefziehen• Streckziehen• Biegeumformen• Rohrbiegen• Trennen

• Innenhochdruckumformen (IHU)• Außenhochdruckumformen (AHU)

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Blechumformen - Streckziehen

Mehrachsige Zugbeanspruchung eines fest eingespannten Feinblechzuschnittes

Blech wird über Fließgrenze belastet und passt sich im plastischen Zustand der Stempelkontur an

Vergrößerung der Oberfläche auf Kosten der Blechdicke

wird für die Herstellung großflächiger Blechformteile verwendet


17

Blechumformen - Tiefziehen

Zugdruckumformen eines Bleches zu einem Hohlkörper

Blech wird in Presse gelegt und von einem Niederhalter eingespannt

Niederhalter verhindert Faltenbildung im Flansch

Stempel zieht Blech durch Ziehmatrize und formt dieses in entsprechender Form


18

Verarbeitungs- und Behandlungsverfahren -Fügeverfahren


Schrauben Einpressen Einstanzen Nieten Stanznieten Clinchen

Punktschweißen Bolzenschweißen HF-Schweißen Laserstrahlschweißen Plasmaschweißen Schutzgasschweißen Löten

Mechanische Verfahren

Thermische Verfahren

Physikalisch und chemische Verfahren

Kleben

Hybridverfahren

Clinchkleben

19

Korrosionsschutz

Schichtaufbau nach Bandbeschichtungsvorgang


20

Korrosionsschutz


Feuerverzinkungsanlage


22

Oberflächentechnologien für den AutomobilbauAnforderungen an Oberflächenbeschichtungstechnologien


22

23

Oberflächentechnologien für den AutomobilbauGängige Beschichtungsarten (Korrosionsschutz):

o Schmelztauchverzinken• Feuerverzinkt• Feuerverzinkt galvannealed• Feueraluminiert• Zink-Aluminium beschichtet

o Elektrolytisches Verzinken• Elektrolytisch verzinkt• Elektrolytisch Zink-Nickel beschichtet

o Organische Bandbeschichtung• Dünnfilmbeschichtet

o Belackung• verschiedene Lacksysteme


23

24



24

25



25

26

Umformbarkeit– Tiefziehen, Streckziehen, mit Wirkmedium…

Trenn-/ Fügbarkeit

Festigkeitssteigerung– Kaltverfestigung

– Mischkristallverfestigung

– Teilchenverfestigung

– Feinkornverfestigung

– …

3. Anforderungen an die Fertigungseigenschaften

26

verschiedene Verbindungsverfahren

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Stahl

Aluminium

Kunststoffe

Magnesium

Titan

Kupfer

Selbsttragende Karosserie

Zentralrohrrahmen

Gitterrohrrahmen

Leiterrahmen

Rohrrahmen (Space Frame)

Mischbauweise

Außenhaut-Bleche

Hauptmaterial Teilstrukturen

4. Karosseriebauweisen – Karosseriearten und Materialien

27

Karosserieart: Werkstoff:

28

o Sicherstellung optimaler Fügeoperationen• Zugänglichkeit (z.B. für Schweißzangen)• entsprechende Bauteilauslegung (z.B. Mindest-Anflanschbreiten)

o Einzelfertigung unter Berücksichtigung von • Toleranz- und Positionierungs-Aspekten (Fit and Finish)• Materialbesonderheiten

o stabile Handhabung während• Montageoperationen• Transport innerhalb der Fertigung

o niedrige Kosten (variable Kosten, Investitionen)• geringe Teilekomplexität / hohe Integration• Material• Montage

o Gewichtsoptimierung• Konzept• Details

4. Karosseriebauweisen – Allgemeine Anforderungen

28

29

oGewährleistung des Korrosionsschutzes

oVermeidung von Feuchtigkeitseintritt

ohohe Lebensdauer und Betriebsfestigkeit• Fügestellen• Blechübergänge und -freischnitte• Gestaltung von Querschnittsübergängen

oSicherstellen, dass alle im Produktionsprozess verwendeten Beschichtungen und Dichtmaterialien richtig appliziert werden

oLieferung von Befestigungspunkten für verschiedene Bauteile

oÜbertragung besonderer Lasten• Wagenheber, Abschlepphaken, Hebebühne, lokale Eindruckkräfte

ohohe Bauraumeffizienz und Einhaltung der Freiräume

oPackage

oHarmonische Optik / attraktives Design

oRecyclebarkeit …

4. Karosseriebauweisen – Allgemeine Anforderungen

29

30

Anforderungen an Werkstoffe für moderne Automobile

o Werkstoff• hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit• hohes Energieaufnahmepotential im Crashfall• dünne Wandstärken für niedriges Gewicht bei gleicher Bauteilfestigkeit

o Oberflächen• Korrosionsbeständigkeit• homogene und fehlerfreie Oberfläche

o Weiterverarbeitung• Umformbarkeit des Werkstoffs auch nach Beschichtung• Fügeverfahren anwendbar (Laserschweißen, Kleben, mechanisches Fügen…)• Modellierung der Werkstoff- und Endprodukteigenschaften

o Energie• Energetische Bilanz (Wertschöpfung und Nutzen, Wärmebehandlung) berücksichtigen

Geeignete Kombination (Verbunde, Tailored Blanks…)


30

31

Beispiele für Materialien im KarosseriebauHochfeste Stähle – Bake Hardening

typischerweise Ermittlung des Effekts mit und ohne Vorverformung (2 %)

Wärmebehandlung mind. 20 min bei mind. 170 °C (Lack brennen)

ursprünglich freie, gelöste C-Atome werden an Versetzungen angelagert und halten so die Versetzungen in gewisser Weise fest

Festigkeitsanstieg um ca. 40 MPa

31


32

Beispiele für Materialien im KarosseriebauHochfeste Stähle – Dualphasenstahl (DP)

gute Umformbarkeit

relativ niedrige Dehngrenze (270…380 MPa)

keine ausgeprägte Streckgrenze

hoher bake hardening Effekt

hohe Kaltverfestigung

hohe Geschwindigkeitsabhängigkeit

gute Schweißbarkeit

Ferrit hell, Martensit dunkel 32


33

Beispiele für Materialien im KarosseriebauHochfeste Stähle – TRIP-Stähle

TRansformation Induced Plasticity (bzw. Restaustenitische Stähle)

sehr gute Umformbarkeit

hoher bake-hardening Effekt

hohe Kaltverfestigung

hohe Festigkeit und hohe Dehnung

bedingt schweißbar

33


34

Beispiele für Materialien im KarosseriebauHochfeste Stähle – Partiell martensitische Stähle (PM)

Komplexphasen Stähle (CP) ähnlich den PM-Stählen

34


35

Beispiele für Materialien im KarosseriebauHochfeste Stähle – Martensitische Stähle (MS)

35


vergleichsweise schlechte Umformbarkeit

hohe Festigkeit und geringe Dehnung

36

Beispiele für Materialien im Karosseriebau

Auswahl verschiedener Stahlsorten

36



40

Beispiele für Materialien im Karosseriebau

Auswahl verschiedener Stahlsorten

Verschiedene Mechanismen der Festigkeitssteigerung!

Verschiedene komplexe Wärmebehandlungen!

40



42

Beispiele für Materialien im KarosseriebauAluminium-Druckguss-Bauteile

wenig Einschränkungen in Formenvielfalt Flexibilität und Komplexität

Bauteildicke 2-3 mm

hohe Festigkeiten (~350…400 MPa) und Dehnungen (~10-15 %) möglich

Wärmebehandlung und Festigkeitssteigerung möglich

hohe Oberflächenqualität und Korrosionsbeständigkeit

20 µm 5 µm

Gefüge einer AlSi9Zn5X-Legierung nach 500 °C – Glühen

Al hell

Si dunkel

intermetallischePhasen mittel

Al dunkel

Si hell

42


Lichtmikroskop Rasterelektronenmikroskop

43

Beispiele für Materialien im KarosseriebauKaltgewalzte Aluminiumbleche (oder Strangpressprofile)

höhere Festigkeiten (~ 600 MPa) und Dehnungen (>10-15 %) als bei Al-Druckguss möglich, aber zusätzlicher Bearbeitungsschritt des Walzens oder Strangpressens

hohe Oberflächenqualität und Korrosionsbeständigkeit

nutzbar in Sandwichverbunden

Dicken unter 1 mm möglich

43


44 44


45

Beschreibung:• funktionsoptimierter Schichtverbundwerkstoff durch

Kombination unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften• anwendungsorientierte Steuerung der Eigenschaften

durch Kombination funktionaler Schichten

Nutzen:• Gewichtsreduktion durch beanspruchungsoptimiertes

Bauteildesign• Gewichtsreduktion durch partiellen Einsatz höchstfester

Stähle in Kombination mit hochverformbaren, duktilen Stählen

Bemerkung:• hohes Anwendungspotential aufgrund individuell

kombinierbarer Schichtfunktionalitäten und Schichtbauvarianten

=> Geeignete Werkstoffkombinationen nutzen!!!Beispiel: TriBond – Warmwalzplattierter Stahlverbundwerkstoff

45


46 46


500

1000

1500

20

40

60

80

50100

150200

250

9

8

7

6

5

4

3

2

1

200

400

600

18161412108642

4035

3025

2015

105

0

CO2 [kg/kg]

Kosten [USD/kg]

Härte [HV] Dichte [g/cm³]

E-Modul [GPa]

Bruchdehnung [%]

Zugfestigkeit [MPa] Al Cu4 Mg1.3 Mn0.6 Mg Al5 Zn5 Nd4.9 Cu Zn30 Al5 Mn4 Fe2 Ti Al6 Mo6 Zr4 Sn2

Nicht-Fe-Legierungen

500

1000

1500

20

40

60

80

50100

150200

250

9

8

7

6

5

4

3

2

1

200

400

600

18161412108642

4035

3025

2015

105

0

CO2 [kg/kg]

Kosten [USD/kg]

Härte [HV] Dichte [g/cm³]

E-Modul [GPa]

Bruchdehnung [%]

Zugfestigkeit [MPa] Fe Ni9 Co4 C0.2 Fe Mn23 Cr21 Mo1 (a) Fe Mn23 Cr21 Mo1 (b) Fe Cr18 Mn15 Ni1.7 C0.2

Fe-Legierungen

47

[1] http://itsnewscar.blogspot.de/2011/11/2012-mercedes-benz-cls63-amg.html

[2] „Neue Entwicklungen in der Herstellung und Weiterentwicklung von Bandstahlprodukten“, Prof. Dr. Karl-Ulrich Köhler, Freiberg, 2009

[3] Institut für Kraftfahrwesen Aachen

[4] http://www.technik-welten.de/uploads/pics/Bionik-Leichtbau.jpg

[5] „Leichtbaukonstruktion“, Bernd Klein, ETH Zürich

[6] „Karosserietechnik“, Dr. Weiss (EP/SNF), Daimler

[7] http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-720A5315-676C5A0C/fronius_international/hs.xsl/79_11719_DEU_HTML.htm

[8] CES Selector Version 5.1.0, Granta Design Limited

[9] http://incar.thyssenkrupp.com/4_00_000_Karosserie.html?lang=de

[10] http://300sl.org/technik-300-sl-w198-technology-300-sl-w198/

[11] http://www.zuckerfabrik24.de/steyrpuch/steyr380_1.htm

Quellen

47

49

Leichtbau Gliederung

1. Einleitung

2. Karosserieleichtbau

3. Methoden der Werkstoffauswahl

4. Methode der systematischen Werkstoffauswahl nach Ashby

5. Anforderungen an Karosseriewerkstoffe

6. Anwendung Ashby-Methode auf Karosseriebauteile

7. Literaturhinweise

50

Systematische Werkstoffauswahl - Literatur

M. F. Ashby: Materials Selection in Mechanical Design, Das Original mit Übersetzungshilfen, Elsevier, 2007

M. Reuter: Methodik der Werkstoffauswahl, Fachbuchverlag Leipzig 2007

H. P. Degischer, S. Lüftl: Leichtbau – Prinzipien, Werkstoffauswahl und Fertigungsverfahren, WILEY-VCH Verlag, 2009

E. Moeller: Handbuch Konstruktionswerkstoffe – Auswahl, Eigenschaften, Anwendung, Hanser-Verlag

B. Klein: Leichtbau-Konstruktion, Vieweg-Verlag, 2005

51

Fahrzeug-Karosserie - Gründe für Leichtbau

Anforderungen an moderne Fahrzeuge steigen von Generation zu Generation:

• Komfort

• Sicherheit

• Zuverlässigkeit

• Fahrleistung

Stärkere Motorisierung, Verbesserung Fahrwerk, Versteifung Karosserie, mehr Packagekomponenten

Zunahme Fahrzeuggewicht (hoher Anteil Karosserie)

Widerspruch zu Forderung Verringerung CO2-Emission

52


Quelle: Mark White, Jaguar & Land Rover Cars, 2006

53


Quelle: „EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen“, BMU, 2009

54


Quelle: Dr. Goede, Volkswagen AG

55

Karosserie-Leichtbau

Leichtbau ist mehr als der Einsatz leichter Werkstoffe

Fertigungsleichtbau- Laserschweißen/Laserlöten - Tailored Blanks - Walzprofile

Formleichtbau- reduzierte Trägerkröpfungen - optimierter Trägerverlauf - keine Einschnürung

Stoffleichtbau - hochfeste Stähle - Aluminium - Magnesium - SMC + Kunststoffe - Hybridlösungen

Konzeptleichtbau- größere Wirkungsquerschnitte - geschlossene Profile -Teilintegration

56

Kostenverteilung Rohkarosserie

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

Quelle: BMW

57

Methoden der Werkstoffauswahl

Vereinfachte schnelle Praxismethoden

Erfahrungsbasierte Methoden

Kennzahlbasierte Methoden

An den Konstruktionsprozess angelehnte Methoden (z. B. Ehrlenspiel, Schatt usw.)

Anwendungsbezogenes Konzept – Ashby-Methode

58

Quelle: Handbuch Konstruktions-werkstoffe, Hanser-Verlag

Alle Werkstoffe

Endgültige Werkstoffauswahl

Übersetzung der Produkt- in WerkstoffanforderungenBeschreibe die Funktion, die einschränkenden Bedingungen, die Ziele,und

die freien Konstruktionsparameter

Auswahl mit Hilfe der ermittelten einschränkenden BedingungenStreiche alle Werkstoffe, die die Anforderungen nicht erfüllen

Ermittlung einer Rangfolge nach EignungSuche Werkstoffe, die am besten geeignet sind

Suche nach ergänzenden MaterialinformationenSuche für die am besten geeigneten Werkstoffe nach detaillierten

Informationen zur Entscheidungsfindung

Methoden der systematischen WerkstoffauswahlMethode nach Ashby

59

1. Ermittlung der Materialanforderungen:

Genaue Analyse aller auf die Materialwahl einwirkenden Größen aus Sicht des Produkts

Klärung der materialspezifischen Aufgabenstellung

Ergebnis ist eine Materialanforderungsliste, auf der die nachfolgende Suche nach Lösungen beruht


60

2. Vorauswahl geeigneter Materialien

Untersuchung der Materialanforderungsliste auf wesentliche Suchmerkmale, in der Regel quantitative Werkstoffeigenschaften

Suche nach Materialien, deren Eigenschaftsprofil mit dem aus den Suchkriterien aufgebauten Anforderungsprofil übereinstimmen

Liste möglicher Materiallösungen


61

3. Feinauswahl und Bewertung

Eignung bezüglich noch nicht geprüfter Forderungen

Bewertungsmatrix über Bewertungskriterien und Gewichtungsfaktoren

Rangliste der Eignung

Liste der Versuchswerkstoffe

4. Evaluierung, Validierung Produkteigenschaften, Werkstoffentscheidung


62


Definition der Zielfunktion des angestrebten Nutzens des Bauteils, der zu minimieren oder zu maximieren ist: z. B. Masse, Kosten, Energie

Entwicklung einer Gleichung für diese Zielfunktion P in Abhängigkeit der funktionalen Anforderungen F, der Geometrie G und der Werkstoffeigenschaften W:

P = f(F, G, W)

Identifizieren der Variablen der Zielfunktion: Anforderungen, Form, Eigenschaften

Festlegen der Mindestanforderungen: Preisgrenzen, Lieferbarkeit, fertigungstechnische Forderungen

63


Separieren der Zielfunktion in die drei Komponenten:

P = f1(F) * f2(G) * f3(W)

Designparameter (Funktionsindex, Geometrieindex) und Materialindex

Definition der gebrauchsrelevanten Materialeffizienz M, die maximiert werden soll

M = f (W) bzw. M = f (W, G)

64


• Definition der Zielfunktion ist der Schlüssel für eine erfolgreiche Werkstoffauswahl

• Werkstoffauswahl unter Verwendung der Materialindizes bzw. der Materialeffizienz mit Hilfe von Werkstoff-schaubildern, den sogenannten Asbhy-Plots

• Softwarelösung: Cambridge Engineering Selector (CES)(Fa. Granata Design Ltd., Cambridge, GB) – greift auf viele Standardmaterialdatenbanken zurück, aber auch Datenbanken bezüglich Fertigung und Umweltkennwerte

65

Methoden der systematischen WerkstoffauswahlWerkstoffschaubilder (Ashby-plot)

Beispiel: M = σf/ρ

log M = log σf – log ρ = Coder log σf = log ρ + C

alle Linien Anstieg 1

alle Materialien auf einer Linie gleiches M (1 bzw. 10), jedoch nicht die gleichen Materialeigenschaften

Quelle: M. Ashby: Materials Selection for Machanical Design

66


F

L

F

A

L

AE

L

AE

L

A

L

FSZ

Anwendung auf Karosserie-LeichtbauBeispiel 1:

Balken mit Zugbeanspruchung bestimmte Steifigkeit bei möglichst geringer Masse

67


)()()()()( 3212 WfGfFf

ELSL

E

LSm Z

Z

• Zielfunktion: P = m = V* = A*L* Minimum

• Identifizieren der Variablen und Separation:

• Materialeffizienz: MZ = E/ Maximum (spezifischer E-Modul)

68


Anwendung auf Karosserie-Leichtbau

Beispiel 2:

Platte mit Biegebeanspruchung

bestimmte Steifigkeit bei möglichst geringer Masse

3L

CEIS

69


LtwLAVmPZielfunktion:

Minimum

Identifizieren der Variablen und Separation:

Materialeffizienz: Maximum

)()()()12( 3213/12

2/123/1 WfGfFf

EL

C

wSm

3/1EM P

70


fL

CwtF

2

Anwendung auf Karosserie-Leichtbau

Beispiel 3:

Platte mit Biegebeanspruchung

Belastung bis zur Elastizitätsgrenze (Festigkeit)

71



Minimum


Materialeffizienz: Maximum

2/1

2/13

fC

wLFm

2/1

fFM

72


F

Anwendung auf Leichtbau

Beispiel 4: einseitig eingespannter Biegebalken –bestimmte Steifigkeit bei möglichst geringer Masse

3

CEIS

L

73



Minimum


Materialeffizienz: MaximumE

M B

5

1 2 3(2 ) ( ) ( ) ( )L

m S f F f G f WC E

74


Quelle: Handbuch Konstruktionswerkstoffe

75


Quelle: Handbuch Konstruktionswerkstoffe

76


Material Dichte(g/cm³)

E-Modul(GPa)

Dehngrenze(MPa)

(E1/3/) (f1/2

Stahl –Tiefziehgüten

7,8 207 220 0,75 1,89

Hochfester Stahl

7,8 207 bis 550 0,75 2,86

Al-Legierung 2,7 69 193 1,51 5,26

GFK 1,8 15 75 1,37 4,76

77


E

MMB

B

• Unterstützung der Erfüllung von Anforderungen durch die Bauteilgeometrie

• Einführung eines Formfaktors F als Verhältnis Flächenträgheitsmoment I eines Querschnitts zu dem eines Rundstabes I0

• Einführung in Zielfunktion neue Materialeffizienz

Beispiel Biegebalken - Rohr:

t

rMB

3

78

Anforderungen an Karosseriewerkstoffe(Bauteile, Baugruppen)• Statische Steifigkeit

• Strukturintegrität

• Energieabsorption

• Schwingung und Dämpfung (NVH – noise,vibration, harshness)

• Umformbarkeit

• Oberflächengüte

• Zusätzliche Kriterien: Kosten, ökologische Nachhaltigkeit, Korrosion, Fügeverfahren, Fertigung, Simulierbarkeit

79

Materialeinsatz Karosserie

Selbsttragende KarosserieZentralrohrrahmenGitterrohrrahenLeiterrahmenRohrrahmen (Space Frame)Mischbauweisen

Stahl

Aluminium

Kunststoffe

Magnesium

Als Hauptmaterial verwendet In Teilstrukturen verwendet

80

Kriterien für die Werkstoffauswahl im Leichtbau

• Eigenschaftsgrößen: physikalische und mechanischeGrößen

• Bezogene Werkstoffeigenschaften –mechanische Werte bezogen auf Dichte

• Gütekennzahlen – normiert auf einen Werkstoff hinsichtlich Beanspruchungsart

• Leichtbaukennzahlen

81


• 1. Eigenschaftsgrößen

• Physikalische Größen:• Dichte:

• Lineare Wärmeausdehnung:

• Wärmeleitfähigkeit:

• Mechanische Größen (Auswahl):• Auslegespannung: Rm, ReH, Rp0,2 Elastizitätsmodul: E • Querkontraktion: Bruchzähigkeit: KIc

Einsatz- und Gewichtsbewertung, Strukturberechnung

V

m

TL

L

0

ZTU-Prinzipschaubild für hochfeste Stähle

83


2. Bezogene Eigenschaften

• Spezifisches Volumen:

• Spezifische Steifigkeit:

• Stabilitätswiderstand:

• Reißlänge:

'1

)(

1

g

)( g

E

)( g

G

)( g

E

)(

3

g

E

)( g

Rm

84


3. Gütekennzahlen

• Auslegung hinsichtlich Beanspruchung

• Normierung auf einen Werkstoff – z. B. Aluminium

• Normierte Gütekennzahl gibt an, um wie viel leichter bzw. schwerer eine geometrisch ähnliche Konstruktion aus dem betrachteten Werkstoff ist, verglichen mit dem gewählten Bezugswerkstoff

Kriterien für die Werkstoffauswahl im Leichtbau2. Bezogene Eigenschaften

Werkstoff E [MPa] Rm [MPa]

Stahl 7,85 210.000 500 0,1274 2.675,16 6,37

Al-Legierung 2,70 70.000 350 0,3700 2.592,60 12,95

Mg-Legierung 1,74 40.000 330 0,5750 2.298,85 18,96

Ti-Legierung 4,50 102.000 900 0,2220 2.266,67 20,00

PA 6 (trocken) 1,15 2.500 80 0,8690 217,40 6,96

GFK-UD (50 %)

2,25 39.000 1.150 0,4444 1.766,90 52,10

CFK-UD (50 %)

1,50 120.000 1.700 0,6667 8.155,88 115,53

AFK-UD (50 %)

1,32 31.000 1.250 0,7576 2.393,97 96,53

Holz 0,50 12.000 100 2,0000 2.400,00 20,00

Beryllium 1,85 245.000 400 0,54 13.243,24 21,62

Lithium 0,53 12.000 180 1,89 22.641,51 33,96

Quelle: B. Klein – Leichtbau-Konstruktion, Vieweg

3dm

kg

kg

dm31

][

)(km

g

E

][

)(km

g

Rm

Kriterien für die Werkstoffauswahl im Leichtbau3. Gütekennzahlen

Eigenschaften

Bezüglich

Gütekennzahl Holz Mg-

Leg.

Al-

Leg.

Ti-

Leg.

Stahl GFK CFK AFK

Stat. Festigkeit

- Zug, Druck

1,54 1,46 1 1,54 0,49 3,17 5,52 8,58

Längssteifigkeit

- Zug, Druck

0,93 0,89 1 0,87 1,03 0,79 6,88 1,86

Schubsteifigkeit

-Torsion

- 0,90 1 0,89 1,06 0,32 0,37 0,15

Knicksteifigkeit von Stäben

2,24 1,17 1 0,72 0,60 1,05 3,64 1,93

Beul- und Biege-steifigkeit von Platten

3,05 1,31 1 0,69 0,50 1,17 3,00 1,98

Elast. Arbeitsauf-nahmevermögen

0,47 1,55 1 4,54 0,68 9,14 2,29 19,78

Schlagzähigkeit 0,20 2,50 1 1,50 2,50 0,75 0,20 0,20

Schwingfestigkeit

R=-1, N=106

1,20 1,20 1 2,20 1,30 1,70 2,80 3,20

)]/([ gRm

)]/([ gE

)]/([ gG

])/([ gE

])/([3 gE

][2

Eprop

][A

)]/([ gbw

Quelle: B. Klein – Leichtbau-Konstruktion, Vieweg

87


Leichtbaukennzahlen

Leichtbaugüte LT:

Für Torsionssteifigkeit (z. B. Rohkarosserie)

cT = Torsionssteifigkeit, A = projizierte Fläche

Ziel: möglichst kleiner Wert

Ac

mL

T

RKT

88


Leichtbaukennzahlen

Definition: Verhältnis der Gesamtlast FG, die eine Trag-konstruktion aufnehmen kann, zur Eigenlast FE der unbelasteten Konstruktion

Je größer der Wert der LBK, umso geeigneter ist der gewählte Werkstoff für den vorliegenden Belastungsfall

Beispiel: Bauteil unter Zugbeanspruchung

E

G

F

FLBK

Lg

RLBK eHp

Z

)(/2,0

89

Kriterien für die Werkstoffauswahl im Leichtbau4. Leichtbaukennzahlen

Werkstoff [kg/dm³] Rp0,2/eH [MPa] LBKb für L²/2=1.000

S 355 JO 7,85 355 3073

S 460 NL 7,85 460 3982

MS-W 1200 7,83 900 7811

AlCuMg1F38 2,70 240 6040

MgAl6Zn 1,74 220 8592

TiCr5Al3 4,30 700 11.060

GFK (0.55) 1,95 900 27.880

CFK (0.55) 1,40 1.100 53.395

90

Werkstoffauswahl im Leichtbau

• Niedrige Dichte

• Gute Festigkeitseigenschaften: hohe Fließgrenze

hohe Bruchfestigkeit

ausreichende Dehnung

• Hoher Elastizitätsmodul

• Gute Fail-Safe-Qualitäten: hohe Dauerfestigkeit

hohe Bruchzähigkeitswerte

• Temperaturbeständigkeit der mechanischen Kennwerte

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

• Leichte Formbarkeit (Kalt- und Warmformgebung)

• Gute Schweißbarkeit

• Akzeptabler Kilopreis

91

Optimierter Stahleinsatz im Karosseriebau

92

Optimierter Stahleinsatz im Karosseriebau

Rp0.2

[MPa]

Anwendung

< 140 Weich – Außenhautteile, Bauteile

mit anspruchsvoller Geometrie

180 -240 Hochfest – auf Festigkeit bean-

spruchte Bereiche mit komplexer Geometrie

260 - 300 Höherfest – Strukturteile mit hoher Festigkeitsbeanspruchung

300 - 420 Höchstfest – Crashbereiche mit Energieaufnahme auf hohem Niveau

> 1000 Formgehärtet – tragende Struktur-bauteile mit höchstem Widerstand gegen Deformation

94

Das wollen wir nicht - Quantas 4.11.2010 - Triebwerksausfall

95

Das wollen wir nicht - Quantas 4.11.2010 - Triebwerksausfall

• Triebwerk brannte und explodierte, Trümmer zerschlugen Teile Flügel und Hydraulikleitungen von Seitenleitwerken

• Analyse des gebrochenen TiNi-Turbinenrades vom Vorverdichter zeigte erhebliche Massabweichungen (größer)

• TiNi-ab 1000°C verliert Warmfestigkeit, Vorverdichter normaler weise kalt, hier aber 1000°C existent

• Ölleitung war gebrochen und Öl hatte den Triebwerksbrand ausgelöst

• Ölleitung war fehlerhaft gefertigt - asymmetrisch

96

Triebwerk Engine Alliance GP 7200

97

Triebwerk Rolls-Royce Trent 900

98

Konzept für den Aufbau hochfester Metallenormale bis mittlere Temperaturen

Forderung:Höchstmaß an Festigkeit bei vertretbarem Verlust an Duktilität

• kontrollierte Behinderung der Versetzungswanderung

• Versetzungswechselwirkung• Versetzungsdichte (Verformung Kaltverfestigung)

• Korngrenzen• feinkörniges Gefüge

• 0-dimensionale Gitterdefekte• Fremdatome Mischkristallbildung (Legieren)

• Teilchen• Ausscheidungen Aushärten• unlösliche Teilchen, fein verteilt Dispersionshärten

99

Mechanismen der Festigkeitssteigerung

Vergleich der Wirkungen (schematisch)

Q: Bergmann1 (1989)

Wirkung von

Versetzungen KorngrenzenLegierungs-atomen

(Auscheidungen, Dispersionen)

Teilchen

100

Konzept für den Aufbau (hoch)warmfester Metalle

Forderungen: Probleme:

Warmfestigkeit Festigkeitsabnahme mit zunehmender Temperatur• geringerer Gleitwiderstand für Versetzungen• Kristallerholung/ Rekristallisation• Auflösung von (Ausscheidungs-)Teilchen

Kriechfestigkeit Kriechen: zeitabhängige Weiterverformung bei konstanter Belastung(unterhalb der Fließgrenze)

Grund: thermisch aktivierte Diffusionsprozesse mit Versetzungs-und Korngrenzenbeteiligung

hohe Schmelztemperatur

grobkörniges Gefüge + Einbau fein verteilter Teilchen einer unlöslichen Phase

feinkörniges Gefüge + Teilchen in Korngrenzen (Korngrenzengleiten )

Einkristalle

Gefügeanisotropie (gerichtete eutektische Erstarrung), Verbundwerkstoffe

zusätzliche Forderungen

Widerstand gegen Heißgaskorrosion

Chemikalienbeständigkeit

Temperaturwechselbeständigkeit

101

Hochwarmfeste Legierungen - typisches Belastungs-Spektrum

Überschallflugzeuge

Raketenhüllen -wiederverwendbar Raketen –

Strahlaustritt

Kesseleinbauten konventionelle Kraftwerke

Hüllrohre von Brennelementen bei Leistungsreaktoren

0 500 1000 1500 2000 2500 °C 3500Betriebstemperatur

106

105

104

103

102

101

1

Bet

rieb

sdau

er [

h]

1 Jahr

102

Erstarrung konventionell gerichtet Einkristallerstarrt

zusätzlich:Unterdrücken der Hochtemperatur-Kriechmechanismen durch Beeinflussung der

Gefügeausbildung

Ni-Basis-Superlegierungen für Hochtemperaturanwendungen

Ni-Cr + Al, Ti + W, Cr, Mo, Nb, Hf Aushärtung günstiges Netzwerk

Mischkristall () kohärente Ausscheidungen von Carbiden (‘ = Ni3(Al,Ti)) Behinderung des Schneidwirkung der Korngrenzengleitens/ Teilchen steigt bis 800°C an Kriechens

GasturbinenschaufelHeißgaskorrosionsschutz:

- MCrAlY-Schicht

Wärmedämmung:- ZrO2-7Y2O3-Schicht

Ni-Basis-Superlegierungen für Hochtemperaturanwendungen

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