Faserverbundwerkstoffe im Fahrwerk – Reduktion von ungefederten Massen

David Müller, Mubea Fahrwerksfedern GmbH, Attendorn Karl Wagner, Mubea Carbo Tech, Salzburg

Robert Brandt, Universität Siegen, Lehrstuhl für Werkstoffsysteme für den Fahrzeugleichtbau

4. Dresdener Werkstoffsymposium

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Einleitung

Lehrstuhl für Werkstoffsysteme für den

Fahrzeugleichtbau

Das Fahrwerk ist ein Verbund von Systemen des Kraftfahrzeugs, welches zur Erzeugung und Beeinflussung der Kräfte in den Kontaktzonen Fahrbahn / Reifen als auch zu deren Übertragung auf das Fahrzeug dient.

Aufgaben: Fahrzeugführung Fahrvergnügen und Fahrkomfort Fahrsicherheit Voraussetzung für Fahrassistenzsysteme

Bestandteile: Rad / Reifen, Radlagerung, Radträger Bremsen Radaufhängung, Seitenwellen Federung / Dämpfung Achsträger, Differential Pedalerie, Lenkung, Regelsysteme

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Einleitung

Das Fahrwerk

Quelle: http://www.schuett.info/bmw/

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Ungefederte Massen

Fahrsicherheit und Fahrkomfort

Quelle: Fahrwerkhandbuch (Stand 2011)

Gedämpfte Schwingung der ungefederten Masse m1, z.B. beim Überfahren einer Bodenerhebung.

Frequenzbereich − Gefederte Masse : ca. 1 Hz − Ungefederte Masse: ca. 10 Hz

Schwach gedämpfte Schwingungen

(blaue Kurven) werden durch einen Dämpfer beruhigt (rote Kurven)

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Ungefederte Massen

Zweimassen - Federungsmodell

Quelle: Fahrwerkhandbuch (Stand 2011)

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Ungefederte Massen

* Bei gleicher Anregung (Unebenheitsfunktion) wie in Beispiel 2 ** Wie Beispiel 3, jedoch mit angepasster Radfedersteifigkeit (Luftdruck)

Beispiele Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3* Beispiel 4**

Masse m1 in kg 40 40 27 (-33 %)

27 (-33 %)

Masse m2 in kg 350 350 350 350 Radeigenfrequenz ν1 in Hz:

9,0 9,0 10,9 9,0

Aufbaueigenfrequenz ν2 in Hz:

0,8 0,8 0,8 0,8

Amplitude Rad in mm 9,2 86 60 62 Dynamische Radlast in N 1.200 11.000 7.400

(-33 %) 5.000 (-55 %)

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Bean

spru

chba

rkei

t

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Leichtbaubeispiel Tragfeder

Aufgaben: Stöße und Anregungen auffangen Gute Bodenhaftung der Räder gewährleisten

© BMW AG 800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

1992 1994 1996 1998 2002 2004 2008 Ziel

Fede

rmas

se in

g

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Volumenspezifische Formänderungsenergie

Massenspezifische Formänderungsenergie

Kriterien der Materialauswahl

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Federstahl (54SiCr6)

Weichstahl

Aluminium

Magnesium

Titan

GFK

CFK

Verm

ögen

zur

Spe

iche

rung

von

Fo

rmän

deru

ngse

nerg

ie

bezo

gen

auf

Fede

rsta

hl (

54Si

Cr6)

Kriterien der Materialauswahl

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Quelle: http://kunststoffreport.de/schraubenfedern-aus-gfk/

Schraubendruckfeder aus GFK

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Ziel Gewichtsreduktion >50% Verbesserte funktionale Eigenschaften

Stahlsubstitution durch Faserverbundwerkstoff Materialgerechtes Design Optimale Materialnutzung Design- und Materialgerechter Produktionsprozess

Innovationen

Vorteile

Status

Gewichteinsparung Reduktion der ungefederten Masse Keine metallische Korrosion Kein spontanes Versagen

Vorentwicklung (SOP geplant für 2017/2018) Hinterachsfeder in Prototypen Validierung Vorderachsfeder passt noch nicht in aktuelle

Bauräume

GFK Meander Feder

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Ziel Gewichtsreduktion bis zu 70% Progressive, einteilige Feder Kostenreduktion durch Entfall von Anbauteilen

Stahlsubstitution durch Faserverbundwerkstoff Überlagerung von Biegung und Zug führt zu einer

progressiven Kennlinie Längenausgleich in der Feder

Innovationen

Vorteile

Status

Gewichteinsparung Reduktion der ungefederten Masse Kostenreduktion Anpassung der Federrate durch Federform

und Faserlayout Verbesserte Dämpfung (NVH) Kein spontanes Versagen Keine metallische Korrosion

Vorentwicklung

GFK Blattzugfeder

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile Reduzierte rotierende Masse Verringerte ungefederte Masse

Reduzierter Kraftstoffverbrauch

Reduzierter Bremsweg

Erhöhte Beschleunigung

Neues Design

Verbesserte mechanische

Bodenhaftung

Verbesserte Lenkung und Handhabung

Reduzierte Fahrgeräusche

Bauteile

Vorteile: höchste Gewichtseffekte gut an den Endkunden vermittelbar neues Raddesign

Vorteile: extrem gutmütiges Bruchverhalten ausgereifte Technologie hohe Designfreiheit, relativ günstig

Voll-CFK-Felge CFK-Alu-Hybridfelge

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Gegossene Leichtmetallfelge

Geschmiedete Leichtmetallfelge

CFK- Hybrid-Felge

Vollständige CFK-Felge

13.5

10.5 8.1 7.3

0.0

5.0

10.0

15.0-23% -30%

-9,6 kg -12,8 kg

Vergleich zu Leichtmetallfelgen (Spezifikationen: 7,5J x 20"; 500kg Radlast)

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Details zur Verschraubung Technologische Vorteile

Patentgeschützte,

rückseitige Verschraubung

Neue Designoptionen mit Leichtmetall-Felgenstern

Hohes Sicherheitspotential durch Kombination von CFK und Leichtmetall

Zentraler Felgenstern mit CFK Felgenkranz

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile Voll-CFK-Felge: Aufbau und Design

CFK Felge

1) LIPS: Light Impact Protection Shield (not structural)

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Bauteile

Schaden an CFK Rädern

Schwere Beschädigungen sind äußerlich sichtbar Schaden aufgrund von Überlast führt

zu Luftverlust im Reifen Spezielle Bruchverhalten Felgenhorn versagt vor dem

Felgenstern und führt so zu kontrolliertem Luftverlust

CFK-Hybrid-Räder: Luftverlust an

Schraubverbindungen im Falle der Beschädigung

Sicheres Schadensverhalten

Sicheres Schadensverhalten:

Teilbruch im Felgenhorn

Druckverlust

Schadenserkennung

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Ausblick

ZF Low Cost Fahrwerkskonzept

Federfunktion Stabilisatorfunktion Lenkerfunktion Funktionsintegration verbunden mit

Teilesubstitution Massenreduktion durch

Funktionsintegration und innovative Materialien

Optimiertes Package als Folge der Teilereduktion

Leichtbau im Fahrwerk

Quelle: http://www.zf.com

• Ca. 10% der Fahrzeugmasse sind ungefederte Massen • Geringe ungefederte Massen sorgen für optimale

Fahreigenschaften • Dynamische Radlasten sinken überproportional bei

Reduktion der ungefederten Massen • CFK und GFK zeigen optimale Werkstoffeigenschaften

für den Einsatz im Fahrwerk • Leichtbaupotential für Fahrwerk und Gesamtfahrzeug • Funktionsoptimierung bei aktiven Fahrwerken • Aufgaben: Kostensenkung, Betriebsfestigkeit und

werkstoffgerechtes Konstruieren

4. Dresdener Werkstoffsymposium

Zusammenfassung