In den vergangenen Jahrzehnten sind Pkw-Fahrwerke immer leistungsfähiger und sicherer geworden. Höhere Zuladung, mehr Fahrstabilität und bessere Fahrdynamik-Eigenschaften hießen jedoch auch: komplexere Achsen mit oftmals ansteigendem Gewicht. Diesen Trend will ZF umkehren, mit einer radführenden Querblattfeder aus Glasfaser-Kunststoffverbund (GFK), die ZF in eine Leichtbau-Hinterachse für Pkw integriert. Im Vergleich zu einer Mehrlenker-Hinterachse spart dieses Konzept bei vergleichbarer Performance etwa 13 % Gewicht.
Erstellt aus Unterlagen von ZF, Friedrichshafen, von Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion
Alternative Materialien, neue Konstruktionen, optimal angepasste Toleranzen, weniger Fügematerialien bei der Herstellung – mit diesen Stichworten und Beispielen sind die strategischen Ansätze umschrieben, die es für automobilen Leichtbau gibt. Besonders wirkungsvoll purzeln die Kilos, wenn es gelingt, möglichst viele dieser Leichtbau-Strategien zu kombinieren. Im Pkw-Fahrwerk ist dies vor allem dann möglich, wenn man das Gesamtsystem Pkw-Achse unter Leichtbau-Aspekten neu überdenkt. Dies hat ZF bei seinem Konzept einer Leichtbau-Hinterachse für Pkw getan.
Zentrales Bauteil ist eine radführende Querblattfeder. Sie ist zum einen aus GFK, einem Material mit deutlich geringerer Masse als der in Pkw-Achsen noch vorherrschende Werkstoff Stahl. Zudem haben die ZF-Ingenieure einige klassische Achsfunktionen wie Federung, Stabilisierung und Radführung in das neue Bauteil integriert. So übernimmt beispielsweise ein Teil der GFK-Feder auch Funktionen eines Fahrwerklenkers, so dass bei dieser Achse insgesamt weniger Einzelkomponenten zum Einsatz kommen. Außerdem lässt sich die Querblattfeder auf unterschiedliche Hub- und Wanksteifigkeiten auslegen – Voraussetzung für den Einsatz in Pkw-Modellen mit unterschiedlicher Fahrwerkcharakteristik.
Hochintegriert, leicht und dennoch fahrdynamisch
Um dieses hochintegrierte Bauteil hat ZF eine Hinterachse nach dem McPherson-Prinzip konstruiert, bei der ein Längslenker, ein Spurlenker und ein radführender Dämpfer als weitere Komponenten hinzukommen. Damit nimmt auch die Komplexität der Hinterachse ab, die nun aus weniger Bauteilen besteht und eine einfachere Montage möglich macht. Das Gewicht der Achse sinkt um etwa 6 kg, das entspricht 13 % im Vergleich zu einer Mehrlenker-Hinterachse. In Sachen Fahrdynamik bewegt sich die Leichtbau-Achse allerdings auf dem hohen Niveau der Mehrlenker-Hinterachsen für Pkw.
Um die Querblattfeder auch in industriellem Maßstab produzieren zu können, wurden im ZF Composites Tech Center mögliche Prozesstechnologien zur Serienfertigung untersucht. Das nun präferierte Herstellverfahren macht es beispielsweise möglich, Federn mit unterschiedlichen Steifigkeiten zu produzieren.
Neue Leichtigkeit auch für den Antriebsstrang
Welche zusätzlichen Verbesserungspotenziale sich weiterhin in der Kraftübertragung eröffnen, verdeutlicht ZF mit einem neuen Leichtbau-Achsgetriebe: Dessen optimiertes und in Längsrichtung geteiltes Aluminiumgehäuse verfügt nun über unterschiedliche, noch präziser auf die tatsächlich auftretenden Belastungen ausgelegte Wandstärken. Zusammen mit den Leichtbaumaßnahmen am Kegelradsatz und dem gewichtsreduzierten Differenzialkorb summieren sich die Maßnahmen auf rund 5 kg, das entspricht etwa 20 %, die das Achsgetriebe weniger wiegt als eine aktuelle Serienlösung. Das hohe Niveau hinsichtlich Festigkeit, Dauerhaltbarkeit und Akustik soll dabei uneingeschränkt erhalten bleiben.
Abspecken in Serie
Während der Serienstart der Leichtbau-
Konzepte aktuell noch nicht erfolgt ist, haben andere gewichtsoptimierte Komponenten von ZF diesen bereits absolviert: So spart ein Leichtbau-Dämpfer 25 % Gewicht ein, weil sein Behälterrohr aus Aluminium nur dort verstärkt ist, wo es nach dem Lastprofil erforderlich ist. Andere Bereiche sind sehr dünn ausgelegt.
Kürzlich hat ZF außerdem die Serienfertigung eines Leichtbau-Querlenkers namens SMiCA (Sheet Metal integrated Control Arm) gestartet. Dieser Querlenker mit integriertem Kugelgelenk kommt ohne Nieten oder Schraubverbindungen aus. Das macht ihn um bis zu 23 % leichter als herkömmliche Blechlenker. Außerdem benötigt er weniger Bauraum und erlaubt größere Gestaltungsfreiheiten bei der Fahrwerkauslegung.
ZF TRW bietet zudem mehrere Ansätze zur Gewichtseinsparung bei Scheibenbremsen. Für Schwimmsattelbremsen gibt es die bewährten Gehäuse in Aluminiumausführung und die Thin-Wide–Bridge-(TWB)-Sättel, die gegenüber der konventionellen Bauweise sowohl die Gehäusemasse um 10 % verringern als auch den Durchmesser der Bremsscheibe um etwa 10 % vergrößern. Auch FBC-Bremssättel bieten Gewichtseinsparungen und erlauben größere Bremsscheibendurchmesser durch das Zusammenfügen von Aluminium-Zylindergehäusen mit einer Stahl- oder Sphäro-Guss-Brücke. Für Festsattelbremsen hat ZF TRW neben zweiteiligen Gehäusen in Sphäro-Guss -oder Aluminiumausführung auch einteilige Monoblock-Gehäuse aus Aluminium im Angebot.
Für ein ähnliches Leichtbaupotenzial sorgen die ZF TRW Bremskraftverstärker im so genannten Girvac-Design. Sie zeichnen sich durch eine spezielle Zugstangenkonstruktion aus, die nicht nur die Leistung verbessert, sondern auch ein dünneres und folglich um etwa 20 % leichteres Gehäuse ermöglicht. Optional können die Bauteile zusätzlich mit den FS-Hauptbremszylindern (Fixed Seal) ausgestattet werden, wodurch sie abermals weniger Gewicht auf die Waage bringen.
ZF Friedrichshafen AG
Tel.: +49 7541 77-0
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