trend und innovationen im fahrzeugbau · einstellgenauigkeit der maschine verfahrwege der maschine...

Prof. Dr.-Ing, Xiangfan Fang, Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau

Trend und Innovationen im Fahrzeugbau

„konstruktive, material- und fertigungstechnische Entwicklungen

Automotive Forum Südwestfalen14. April 2010


Front Crash Load

SchwellerLängsträger

Hauptlastpfad: LängsträgerVerteilung auf Schweller und Verlängerung LT/Boden

Design für den Front Crash um Mitte der 90er Jahren


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


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


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


Design für den Front Crash um Ende 2000

• Konzept 3 ist weitgehend bei den meisten OEMs in verschiedenen Formetabliert

Beispiel SUV

Beispiel Limosine


Design für den Front Crash um Ende 2000

• Konzept 3 ist weitgehend bei den meisten OEMs in verschiedenen Formetabliert

Beispiel Kleinstwagen


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


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


1995 Anfang 2000 Ende 2000

Entwicklung und Trend der HSS/UHSS und Al-Anwendung in Rohbau

Pro

zent

ante

il


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


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


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


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


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)


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


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


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



Quelle: EDAG

Kosteneinschätzung Umformverfahren• Zuordnung Verfahren - Umformgrad

Warmumformen



Quelle: EDAG

Eingesezte Umformverfahren in der Struktur• Zuordnung Bauteil - Verfahren



Rollprofil (HK niedrig)



Ziehteile (HK hoch!)

Erweiterung Umformverfahren

Rollprofil ?

Eingesezte Umformverfahren in der Struktur• Zuordnung Bauteil - Verfahren



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



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



Biegen einer „S-Kontur“: Vergleich von CAD Sollverlauf, Simulationsergebnis und Realbauteil

Kostengünstiger Leichtbau durch Freiformbiegen• Darstellung Spline-Geometrie



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



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 ?


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


Lehrstuhl für UmformtechnikHybride Verfahren, flexible Umformmaschine• Kennung Kraft-Zeit Angebot Servopresse

Frei programmierbare Kraft-Weg KurveBei maximaler Steifigkeit der Maschine



Vielen Dank fürIhre Aufmerksamkeit !

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