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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
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4. Dresdener Werkstoffsymposium
Einleitung
Lehrstuhl für Werkstoffsysteme für den
Fahrzeugleichtbau
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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/
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4. Dresdener Werkstoffsymposium
Ungefederte Massen
Fahrsicherheit und Fahrkomfort
Quelle: Fahrwerkhandbuch (Stand 2011)
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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)
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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 %)
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1.1
1.2
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1.7
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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
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4. Dresdener Werkstoffsymposium
Bauteile
Volumenspezifische Formänderungsenergie
Massenspezifische Formänderungsenergie
Kriterien der Materialauswahl
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4. Dresdener Werkstoffsymposium
Bauteile
Federstahl (54SiCr6)
Weichstahl
Aluminium
Magnesium
Titan
GFK
CFK
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Kriterien der Materialauswahl
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4. Dresdener Werkstoffsymposium
Bauteile
Quelle: http://kunststoffreport.de/schraubenfedern-aus-gfk/
Schraubendruckfeder aus GFK
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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4. Dresdener Werkstoffsymposium
Bauteile Voll-CFK-Felge: Aufbau und Design
CFK Felge
1) LIPS: Light Impact Protection Shield (not structural)
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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
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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
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• 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