Prof. Dr.-Ing, Xiangfan Fang, Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau
Trend und Innovationen im Fahrzeugbau
„konstruktive, material- und fertigungstechnische Entwicklungen
Automotive Forum Südwestfalen14. April 2010
Prof. Dr.-Ing, Xiangfan Fang, Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau
Front Crash Load
SchwellerLängsträger
Hauptlastpfad: LängsträgerVerteilung auf Schweller und Verlängerung LT/Boden
Design für den Front Crash um Mitte der 90er Jahren
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Design für den Front Crash um Anfang 2000
• Konzept 1 weiterhin Hauptlastpfad über untere Ebene wie Anfang/Mitte der 90er Jahren
• Erste Stufe:• Längsträger über Falt- und Biegedeformation Energieabsorbieren• zusätzlich: Langer Motorträger/Subframe frühzeitig aktiv für Energieabsorption
• Zweite Stufe:• Längsträgerverzeigung auf Verlängerung LT und Schweller• Motorträger/Subframe leitet Kraft auf Verlängerung LT und Unterboden/Tunnel
• Geringerer Anteil über Längsträger oben auf Scharniersäule und A-Säule sowie Tür
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Design für den Front Crash um Anfang 2000
• Konzept 2 wie Konzept 1, jedoch mit Verteilung des Hauptlastwegs über die A-Säule oben
• Erste Stufe:• Längsträger nimmt Energie auf über axialen und Biegedeformation• Kurze Motorträger trägt erst spät zur Lastaufnahme bei
• Zweite Stufe:• Längsträgerverzeigung auf Verlängerung LT und Schweller• Verteilung der Kraft über die Scharniersäule auf die A-Säule
oben • Der steife Türrahmen stützt die Front crash ab.
• Geringerer Anteil über Längsträger oben auf Scharniersäule und A-Säule oben sowie und Tür
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Design für den Front Crash um Anfang 2000• Konzept 3 zusätzlich zu Konzept 1 mit dem über die Fahrzeughöhe verteilten Kraftweg
• Abstützung durch Stirnwandquerträger• Abstützung Pedalboden/Fußraum• Verbesserte Radabstützung durch Schwellerknoten vorn• Verteilung der Kraft nach oben über Verbindungsteil LT, LT oben und Stirnwand
• Nutzung der Türschachtverstärkung und TAT sowie Türschachtverstärkungals mittlerer Kraftweg
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Design für den Front Crash um Ende 2000
• Konzept 3 ist weitgehend bei den meisten OEMs in verschiedenen Formetabliert
Beispiel SUV
Beispiel Limosine
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Design für den Front Crash um Ende 2000
• Konzept 3 ist weitgehend bei den meisten OEMs in verschiedenen Formetabliert
Beispiel Kleinstwagen
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Design für den Seiten Crash um Anfang 2000• Konzept
• Oberer Kraftweg• Dachrahmen und Dachqerträger• B-Säule ultrahochfest durch
• Rohrverstärkung• Al-Guß• Warmumformung
• Türverstärkungen• Unterer Kraftweg
• Schweller ultrahochfest• Sitzquerträger und Kick up Querträger
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Design für den Seiten Crash um Ende 2000
• Konzept 2000 mit fließender Verbesserung• Höchstfeste B-Säule mit angepasster Festigkeit• UHSS Schweller mit optimierten Verstärkungen• Abstützung der Schweller durch Sitzquerträger• Auflagerung der B-Säule oben fest und unten weich• Abstützung der Dachrahmen durch Dachquerträger
• Türverstärkungen übertragen Kräfte
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1995 Anfang 2000 Ende 2000
Entwicklung und Trend der HSS/UHSS und Al-Anwendung in Rohbau
Pro
zent
ante
il
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Einsatz von HSS/UHSS und Aluminium um Ende 2000
• Verstärkter Einsatz von DP/CP/M Stähle• Überwiegender HSS Anteil: > 300 Mpa• Massiver Einsatz von Warmumformung
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1995
ZStE260
Anfang 2000
ZStE340
Ende 2000
DP600
Entwicklung und Trend der HSS/UHSS-Anwendung im Bereich Längsträger vorne
260
340
450
Trend DP800
Rel
[MP
]
Kontinuierliche Steigerung der Streckgrenze bei gleichzeitiger Veränderungder Längsträgerkonstruktion zum homogeneren Querschnitt
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Trend der HSS/UHSS und Al-Anwendung in Rohbau• Zur Aufrechterhaltung des Fahrgastraums mit weiterer Reduzierung
des Gewichts: • Weiter steigender Anteil von Warmumformung in Richtung > 25%
• Zur Energieabsorption beim axialen Crash für Längsträger vorn/hinten• Szenario 1:
• Mehr Einsatz von UHSS bis DP/CP800 für LT vorn und hinten• Entwicklung von Werkstoff und Verfahren zur Anhebung der Duktilitätsgrenze von derzeit DP/CP800 zu höhere Festigkeit
Damit verbunden ist die Entwicklung noch höhere Festigkeit fürdie Karosseriezellen im Zukunft• Szenario 2: Einsatz Al-Mehrkammerprofil für Längsträger
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Vergleich Energieabsorption axialer Beanspruchungzwischen UHSS und Alu Profil
Optimierte Crashelement aus DP800 Optimierte Crashelement aus Al6060Strangpressprofil
Spezifische Engergieabsorption:
DP800 Mehrkammerprofil: 12 KJ/kgAl6060 Mehrkammerprofil: 15,3 KJ/Kg
Al: ca. 25-30% höherer Energieabsorption/kg als DP800
25-30% Gewichtseinsparung
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Vergleich Biegekraft und Biegeenergie zwischen UHSS-Alu Profil
UHSS:• höhere Biegekraft und Biege-energieaufnahme als Al6082T6
• Mit UHSS lässt sich ca. 20% leichterbauen als mit Aluminium bei Biegung
UHSS• 1229J/Kg bei 8,71KN/kg
Al6082T6• 1031J/Kg bei 8,52KN/kg
Spezifische Biegeenergieaufnahme
Spezifische max. Biegekraft
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 4 5 6 7 8
Fmax. KN/kg (UHSS)Fmax. KN/kg (Al6082T6)
0200400600800
100012001400160018002000
1 2 3 4 5 6 7 8
Energie J/kg (UHSS)Energie J/kg(Al6082T6)
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Zukünftige Innovationen
• Kombination der jeweiligen Gewichts- und Kostenvorteile von verschiedenen Werkstoffen durch konstruktive und verbindungstechnischenMaßnahmen
• Beste theoretische Lösungen: • Al Längsträger zur Aufnahme axialer Crashenergie• UHSS für biegebeanspruchten „Trägerstrukturen“ wie z.B.
- A-Säule oben und Dachrahmen- B-Säule
zur Aufnahme Biegeenergie eingebettet in • Al-Flächenstrukturen mit Al-Gußkontenverbindungen wie z.B.
- LT Verzweigung- Scharniersäule- Knoten B-Säule-Schweller
zur „Abstützung“ der Energieaufnehmenden Strukturen
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Zukünftige Innovationen
• Mischbaustruktur unter Nutzung der Eigenschaftsspektrum• sehr hohe richtungsabhängieg spezifische E-Modul von CFK/GFK nutzen• sehr hoher Duktilität bei hoher Festigkeit von Edelstahl (X-IP?) nutzen• sehr große Steifigkeitssprünge durch starker Unterschiede an E-Module
gestalterisch beherrschen• Ausarbeitung Konstruktiver Gestaltungsrichtlinien• Entwicklung angepasster CAE Berechnungsmethode
Lehrstuhl für Umformtechnik
0
10
20
30
40
50
60
0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]
Bru
chde
hnun
g [%
]
70
LSS< 210 MPa
UHSS> 550 MPa
HSS210 - 550 MPa
Tiefzieheneinfache
Geometrie
HydromecIHU
Walzprofilieren und Biegen WarmumformungTiefziehen
komplexe Geometrie
Weiche Tiefziehgüten
Martensitische StähleTRIP-StähleDP-/MP-Stähle
CMnHöherfeste mikrolegierte Stähle
BH-Stähle
Höherfeste IF-Stähle
IF-Stähle
Isotrope Stähle
Hybride Strukturen brauchen hybride Verfahren• Zuordnung Werkstoff - Verfahren
Prof. Dr.-Ing, Bernd Engel, Lehrstuhl für Fertigungstechnik
Lehrstuhl für Umformtechnik
Dehnung ϕ2
Deh
nung
ϕ1
Grenzformänderung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6D
ehnu
ng ϕ
1
DP600
Aluminium
Tiefziehstahl
Flie
sssp
annu
ng k
f [N
/mm
²]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Fliesskurve
Aluminium
Tiefziehstahl
DP600
Tiefziehen
ϕ = ln(d0/d1)d0
d1
z.B. Eckengeometrie von R10 in Tiefe 30mm: → ϕ=0,34
Biegen
Bodenreisser
R
s0
ϕ = ln(s0/2R) z.B. Radius R3 bei Blech Dicke 1 mm: → ϕ=0,12
→ Erweiterung Umformverfahren
Umformmechanismen• Zuordnung Verfahren - Umformgrad
Prof. Dr.-Ing, Bernd Engel, Lehrstuhl für Fertigungstechnik
Lehrstuhl für Umformtechnik
Quelle: EDAG
Kosteneinschätzung Umformverfahren• Zuordnung Verfahren - Umformgrad
Warmumformen
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Quelle: EDAG
Eingesezte Umformverfahren in der Struktur• Zuordnung Bauteil - Verfahren
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Rollprofil (HK niedrig)
Rollprofil (HK niedrig)
Rollprofil (HK niedrig)
Ziehteile (HK hoch!)
Erweiterung Umformverfahren
Rollprofil ?
Eingesezte Umformverfahren in der Struktur• Zuordnung Bauteil - Verfahren
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Biegen konstanter Radien oder Biegen von Freiformbögen mit kontinuierlichen Radienverläufen (Splines). vielfältige Biegegeometrien durch kinematische Gestalterzeugung Anwendungbereiche: Automobil-, Möbel-, Bau-, sowie Luft- und Raumfahrtindustrie
Vorschub und RotationUmformrolle
Biegerolle
Stützrollen
Kostengünstiger Leichtbau durchFreiformbiegen• Darstellung Spline-Geometrie
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Einstellgenauigkeit der Maschine Verfahrwege der Maschine Querschnittsbelastung und -deformation des Bauteils Versagen durch Knicken
Beschreibung der Biegegeometrie Kompensationsmodul zur Rück-
federung und Maschinensteifigkeit Berechnung der Maschinenparameter
Validierung durch Simulation Optimierung CAM-
Daten
Kostengünstiger Leichtbau durch Freiformbiegen• Darstellung Spline-Geometrie
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Biegen einer „S-Kontur“: Vergleich von CAD Sollverlauf, Simulationsergebnis und Realbauteil
Kostengünstiger Leichtbau durch Freiformbiegen• Darstellung Spline-Geometrie
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Grundlagenuntersuchungen und Ermittlung von Materialkennwerten zum Aufbau von FEM-Modellen
Untersuchen der Umformeigenschaften
0
50
100
150
200
250
300
350
0 5 10 15 20
Span
nung
[N/m
m²]
Dehnung [%]
0°
90°
+/- 45°
Delamination am Innenbogen
Faserbruch am Außenbogen
Kostengünstiger Leichtbau durch Umformen FVT• Anwendung Umform Know-How auf FVT
Prof. Dr.-Ing, Bernd Engel, Lehrstuhl für Fertigungstechnik
Prof. Dr.-Ing, Xiangfan Fang, Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau
0
10
20
30
40
50
60
0 400 600 1000200 800 1200Untere Streckgrenze [MPa]
Bru
chde
hnun
g [%
]
70
LSS< 210 MPa
UHSS> 550 MPa
HSS210 - 550 MPa
HydromecIHU
Walzprofilieren und Biegen
Warmumformung
Tiefziehenkomplexe Geometrie
Kra
ft
Weg
Kra
ft
Weg
Kra
ft
Weg
Kra
ft
Weg
Tiefzieheneinfache
Geometrie
HydromecIHU
Hybrider Leichtbau, hybride VerfahrenHybride Umformmaschine ?
Prof. Dr.-Ing, Bernd Engel, Lehrstuhl für Fertigungstechnik
Lehrstuhl für UmformtechnikHybrider Leichtbau, hybride VerfahrenHybride Umformmaschine ?
Kra
ft
Weg K
raft
Weg
Kra
ft
Weg
Kra
ft
Weg
Kra
ft ?Weg
Tiefziehenkomplexe Geometrie
Tiefzieheneinfache Geometrie
HydromecIHU
Warmumformung Umformen von FVT
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Lehrstuhl für UmformtechnikHybride Verfahren, flexible Umformmaschine• Kennung Kraft-Zeit Angebot Servopresse
Frei programmierbare Kraft-Weg KurveBei maximaler Steifigkeit der Maschine
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Lehrstuhl für Umformtechnik
Vielen Dank fürIhre Aufmerksamkeit !