Faserverbundwerkstoffe im Fahrwerk – Reduktion von ungefederten

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
Einleitung
Lehrstuhl für
Werkstoffsysteme für den
Fahrzeugleichtbau
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Einleitung
Das Fahrwerk
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:
Quelle: http://www.schuett.info/bmw/






Rad / Reifen, Radlagerung, Radträger
Bremsen
Radaufhängung, Seitenwellen
Federung / Dämpfung
Achsträger, Differential
Pedalerie, Lenkung, Regelsysteme
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Ungefederte Massen
Fahrsicherheit und Fahrkomfort
Quelle: Fahrwerkhandbuch (Stand 2011)
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Ungefederte Massen
Zweimassen - Federungsmodell

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)
Quelle: Fahrwerkhandbuch (Stand 2011)
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Ungefederte Massen
Beispiele
Masse m1 in kg
Beispiel 1
Beispiel 2
Beispiel 3*
Beispiel 4**
40
40
27
27
(-33 %)
(-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
11.000
7.400
5.000
(-33 %)
(-55 %)
Dynamische Radlast in N 1.200
* Bei gleicher Anregung (Unebenheitsfunktion) wie in Beispiel 2
** Wie Beispiel 3, jedoch mit angepasster Radfedersteifigkeit (Luftdruck)
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Bauteile
Leichtbaubeispiel Tragfeder
Aufgaben:
2800
1.7
 Stöße und Anregungen auffangen
 Gute Bodenhaftung der Räder gewährleisten 2600
1.6
1.5
2200
2000
1.4
1800
1.3
1600
1400
1.2
1200
1.1
1000
© BMW AG
1
800
1992 1994 1996 1998 2002 2004 2008 Ziel
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Beanspruchbarkeit
Federmasse in g
2400
Bauteile
Kriterien der Materialauswahl
Volumenspezifische Formänderungsenergie
Massenspezifische Formänderungsenergie
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Bauteile
Vermögen zur Speicherung von
Formänderungsenergie
bezogen auf Federstahl (54SiCr6)
Kriterien der Materialauswahl
Federstahl Weichstahl Aluminium Magnesium
(54SiCr6)
Titan
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GFK
CFK
Bauteile
Schraubendruckfeder aus GFK
Quelle: http://kunststoffreport.de/schraubenfedern-aus-gfk/
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Bauteile
GFK Meander Feder
Ziel
 Gewichtsreduktion >50%
 Verbesserte funktionale Eigenschaften
Innovationen  Stahlsubstitution durch Faserverbundwerkstoff
 Materialgerechtes Design
 Optimale Materialnutzung
 Design- und Materialgerechter Produktionsprozess
Vorteile




Status
 Vorentwicklung (SOP geplant für 2017/2018)
 Hinterachsfeder in Prototypen Validierung
 Vorderachsfeder passt noch nicht in aktuelle
Gewichteinsparung
Reduktion der ungefederten Masse
Keine metallische Korrosion
Kein spontanes Versagen
Bauräume
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Bauteile
GFK Blattzugfeder
Ziel
 Gewichtsreduktion bis zu 70%
 Progressive, einteilige Feder
 Kostenreduktion durch Entfall von Anbauteilen
Innovationen  Stahlsubstitution durch Faserverbundwerkstoff
 Überlagerung von Biegung und Zug führt zu einer

Vorteile







Status
progressiven Kennlinie
Längenausgleich in der Feder
Gewichteinsparung
Reduktion der ungefederten Masse
Kostenreduktion
Anpassung der Federrate durch Federform
und Faserlayout
Verbesserte Dämpfung (NVH)
Kein spontanes Versagen
Keine metallische Korrosion
 Vorentwicklung
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Bauteile
Verringerte ungefederte Masse
Reduzierte rotierende Masse
Reduzierter
Kraftstoffverbrauch
Verbesserte
mechanische
Bodenhaftung
Reduzierter
Bremsweg
Verbesserte
Lenkung und
Handhabung
Erhöhte
Beschleunigung
Neues Design
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Reduzierte
Fahrgeräusche
Bauteile
CFK-Alu-Hybridfelge
Vorteile:
 extrem gutmütiges Bruchverhalten
 ausgereifte Technologie
 hohe Designfreiheit, relativ günstig
Voll-CFK-Felge
Vorteile:
 höchste Gewichtseffekte
 gut an den Endkunden vermittelbar
 neues Raddesign
Bauteile
Vergleich zu Leichtmetallfelgen
(Spezifikationen: 7,5J x 20"; 500kg Radlast)
Gegossene
Leichtmetallfelge
15.0
Geschmiedete
Leichtmetallfelge
CFKHybrid-Felge
13.5
10.5
-23%
-9,6 kg
10.0
8.1
5.0
0.0
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Vollständige
CFK-Felge
-30%
-12,8 kg
7.3
Bauteile
Zentraler Felgenstern mit CFK Felgenkranz
Details zur Verschraubung
Technologische
Vorteile
 Patentgeschützte,
rückseitige
Verschraubung
 Neue Designoptionen
mit LeichtmetallFelgenstern
 Hohes
Sicherheitspotential
durch Kombination
von CFK und
Leichtmetall
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Bauteile
Voll-CFK-Felge: Aufbau und Design
CFK
Felge
1) LIPS: Light Impact Protection Shield (not structural)
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Bauteile
Schadenserkennung
Schaden an CFK Rädern
Sicheres Schadensverhalten
 Schwere Beschädigungen sind äußerlich
sichtbar
Sicheres
Schadensverhalten:
Teilbruch im
Felgenhorn
 Druckverlust
 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
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Ausblick
Leichtbau im Fahrwerk
ZF Low Cost Fahrwerkskonzept
Federfunktion
Stabilisatorfunktion
Lenkerfunktion
Funktionsintegration verbunden mit
Teilesubstitution
 Massenreduktion durch
Funktionsintegration und innovative
Materialien
 Optimiertes Package als Folge der
Teilereduktion




Quelle: http://www.zf.com
4. Dresdener Werkstoffsymposium
Zusammenfassung
• 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