Projekt Incar: Leichtere und festere Komponenten für Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang Verlorenes Terrain zurückgewinnen - AutomobilKONSTRUKTION

Projekt Incar: Leichtere und festere Komponenten für Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang

Verlorenes Terrain zurückgewinnen

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Strengere Abgasnormen aber auch steigende Energiekosten werden künftig die Automobilhersteller noch mehr motivieren, die Fahrzeuge der nächsten Generationen vor allem leichter und damit sparsamer im Verbrauch zu machen. Einen großen Anteil zu dieser Entwicklung will Thyssen Krupp mit Innovationen aus der Ideenschmiede „Incar“ beitragen. Dazu werden leichtere und festere Komponenten für Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang gehören.

Mitten in der aktuellen, weltweiten Wirtschafts- und Finanzkrise beginnt Thyssen Krupp sein neues Geschäftsjahr mit einer Technologie-Offensive. „Dies geschieht zur rechten Zeit“, erklärt Dr. Ulrich Jaroni, Mitglied des Vorstandes von Thyssen Krupp Steel Europe, bei der Präsentation des Forschungsprojektes ‚Incar‘, „weil angesichts der aktuell schwierigen Situation in der Automobilindustrie auch der Druck auf die Hersteller steigt, durch umweltfreundlichere und kostengünstigere Fahrzeuge mit weiter verbesserten Funktionen verlorenes Terrain zurück zu gewinnen“. In dem Konzern übergreifenden Forschungsprojekt hatten die Thyssen Krupp-Ingenieure insgesamt 400 Ideen zusammen getragen, von denen 35 Lösungen für Karosserie, Fahrwerk und Antriebsstrang zu Ende entwickelt wurden.

Bislang hat noch kein Automobilzulieferer ein derart umfangreiches Paket Hersteller unabhängig entwickelter Innovationen erfolgreich an den Markt gebracht, heißt es aus Duisburg. Die ersten Incar-Bauteile werden inzwischen schon in den Werken der Automobilhersteller für die Serieneinführung erprobt. Die Innovationen wurden bereits so weit entwickelt, dass sie von den Automobilunternehmen mit deutlich verringertem Aufwand in die Serienfertigung übernommen werden können.
Ziel bei diesen Entwicklungen war neben mehr Sicherheit vor allem das Gewicht des gesamten Fahrzeugs noch weiter zu verringern, so dass es nun einfacher wird, die neuen gesetzlichen Regelungen, die EU-weit ab dem Jahr 2012 für Neuwagen gelten werden, zu erreichen. Wesentlicher Punkt wird dabei der mittlere Emissionsgrenzwert von 130 g CO2/km sein. Dass dieser Grenzwert tatsächlich erreicht werden kann, davon ist Dr. Karsten Kroos, Vorsitzender des Bereichsvorstandes Components Technolog, überzeugt. Er ist sich deshalb so sicher, weil die Entwicklungsschwerpunkte schon sehr früh mit den Kunden abgestimmt und so gleich in die richtige Richtung gelenkt wurden.
Dass dahinter auch handfeste wirtschaftliche Interessen der Automobilindustrie stehen versteht sich von selbst: Wird nämlich der mittlere Emissionsgrenzwert von 130 g CO2 pro gefahrenen Kilometer für die jeweilige Neuwagenflotte eines Herstellers überschritten, werden Strafzahlungen fällig. Incar wird nach Überzeugung der Thyssen Krupp-Manager entscheidend dazu beitragen, die CO2-Minimierungsanforderungen zu erreichen. Ulrich Jaroni: „Kombiniert man die aus ökologischer Sicht besten Incar-Lösungen, lassen sich im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik bis zu 17,63 g Kohlendioxid pro gefahrenen Kilometer einsparen. Dies würde dann einer vermiedenen Strafzahlung von rund 1500 bis 1740 Euro für jedes neu zugelassene Auto entsprechen.“
Ventilhubsysteme sparen CO2
Den größten Beitrag zur CO2-Minderung leisten neu entwickelte variable Ventilhubsysteme. Die PSVC-Ventilsteuerung (Presta Shiftable Valve Control) senkt nach Angaben von ThyssenKrupp den Kraftstoffverbrauch gleich um 2 bis 5 % im Vergleich zu einem ohnehin schon sparsamen direkt einspritzenden 1,4-Liter-Vierzylindermotor.
Die Umweltbilanz: Das emittierte CO2-Äquivalent verringert sich, über den gesamten Lebenszyklus gerechnet, um mehr als 2000 g pro Fahrzeug. Im Niedriglastbereich lassen sich durch Zylinderabschaltung zusätzliche Verbrauchsreduktionen von 8 bis 20 % und weitere Einsparungen erzielen. Die Mehrkosten für das Ventilgetriebe betragen 124 € bei einer Stückzahl von 400 000 Vierzylindermotoren pro Jahr.
Zylinderköpfe werden leichter und preiswerter
Mit dem ebenfalls neu vorgestellten Nockenwellenmodul PICA können bis zu 10 € bei der Zylinderkopfbearbeitung eingespart werden. Außerdem wird das Gewicht um mehr als 1 kg und die Ventiltriebreibung um bis zu 10 % gesenkt. Referenz für das Konzept ist ein Vierzylinder-DOHC-Zylinderkopf aus Aluminium.
Bisheriger Stand der Technik ist eine Lagerung, bei der sich die Nockenwellen in geteilten Gleitlagern drehen. Hierfür muss in den Zylinderkopf eine Lagergasse gefräst werden. Dabei sind die oberen Lagerhalbschalen montiert, damit sie später möglichst genau auf die Lagergasse passen. Anschließend müssen die Halbschalen wieder demontiert werden, damit sich die Nockenwellen einbauen lassen. Bei der neuen Incar-Lösung sind die Lager direkt auf den Nockenwellen montiert. Die Lagerbockmodule umfassen die Wellen vollständig und lassen sich mit ihrer ebenen Unterseite problemlos auf der Zylinderkopfhaube befestigen.
Die aufwändige Lagergassenbearbeitung entfällt ebenso wie die Montage und Demontage der Lagerhalbschalen. Das neue Konzept spart Gewicht, weil sich die Bauhöhe des Zylinderkopfes verringert. Weil sich die Nockenwellen in ungeteilten Lagern drehen, ist ein Montageversatz ausgeschlossen. Das verhindert auch ein Abreißen des Ölfilms im Lager. Für die Integration der Lagerböcke muss der Standard-Montageprozess nur geringfügig verändert werden. Dass sich die Module automatisiert montieren lassen, wurde schon nachgewiesen. Kundenseitige Erprobungen am befeuerten Motor sind ebenfalls erfolgreich verlaufen.
Spezialstahl für leichtere Fahrzeuge
LCK II, die Incar-Idee für Hinterachsen, nutzt konsequent das Potenzial hoch- und höherfester Stähle für Leichtbau im Fahrwerk. Im Vergleich zur Incar-Referenz, einem Hinterachsträger aus Aluminium, soll das Leichtbau-Chassis-Konzept II bei gleicher Performance rund 50 % kostengünstiger sein. Dabei ist es nur 4 % schwerer als die Vergleichsbaugruppe aus Aluminium. Mit der LCK II Hinterachse lassen sich in der Lebenszyklus-Betrachtung rund 120 kg CO2-Äquivalent pro Fahrzeug sparen. Grundlage für diese Bauteile ist der warmgewalzte Complexphasen-Stahl CP-W 800 von Thyssen Krupp. Mit einer Streckgrenze von 680 MPa besitzt der Werkstoff eine deutlich höhere Festigkeit als die bislang im Fahrwerkbau überwiegend verwendeten Stähle. Damit lassen sich dünnwandigere und Gewicht sparende Bauteile konstruieren.
Ein weiteres technisches Highlight: Zweischalige Bauteile sind nicht wie üblich über Schweißflansche miteinander verbunden, sondern im I-Stoß gefügt. Auch hierdurch verringert sich das Gewicht der Baugruppe, weil Material eingespart wird und man den vorhandenen Bauraum besser ausnutzen kann. Verbunden werden die Schalenbauteile durch Laserhybrid-Schweißen.
Der LCK II-Hinterachsträger ist fertigungstechnisch abgesichert und in Kleinserie bemustert. Eine auf die hohe Festigkeit des verwendeten Werkstoffs und die komplexe Form der Bauteile abgestimmte Werkzeugmethode liegt vor. Auch die Werkzeugmethode, mit der die für die flanschlose Fügetechnik notwendigen Toleranzen eingehalten werden, ist ebenfalls neu entwickelt worden. Die Steifigkeitszielwerte des LCK II liegen trotz der verringerten Blechdicken im Bereich der Referenzstruktur. Auch der Korrosionsschutz ist gleichwertig, wobei man den Complexphasen-Stahl sowohl stückverzinken als auch vorbeschichtet verarbeiten kann. Seine Betriebsfestigkeit hat der LCK II-Hinterachsträger auf einem mehrachsigen Nachfahrprüfstand gemäß gängiger Standards unter Beweis gestellt.
Längsträger: 27 Prozent leichter
Bis zu 27 % Gewichtsvorteil gegenüber der Referenz und bis zu 13 % weniger Kosten bietet das Incar-Konzept für vordere Längsträger. Es basiert auf der von Thyssen Krupp entwickelten T3-Technologie für Profil-Bauteile. Mit dieser neuen Lösung können bis zu 125 kg CO2-Äquivalent pro Fahrzeug eingespart werden. Vergleichsmaßstab für das neue Längsträgerkonzept ist eine zweiteilige Schalenkonstruktion aus höherfestem Dualphasenstahl in der Incar-Referenzstruktur. Die T3-Technologie ist ein Fertigungsprozess für rohrförmige Bauteile mit über die Längsachse veränderlichem Querschnitt und integrierten Nebenformelementen. Innerhalb von T3 lassen sich mehrere Einzelteile und Fertigungsschritte zusammenfassen. So ist das geschlossene Hohlprofil nach dem Umformvorgang bereits mit zwei rinnenförmigen Vertiefungen, zwei Positionierlochungen und Schweißflanschen an der Stirnseite ausgestattet. Gefertigt ist der Träger aus Tailored Blank-Formplatinen.
Um das Potenzial dieser Technologie zu demonstrieren, haben die Entwickler zunächst einen Träger aus dem gleichen Dualphasenstahl wie bei der Referenz hergestellt. Allein aufgrund der geometrischen Vorteile der Profil- gegenüber der Schalenlösung ergeben sich ein Gewichtsvorteil von 16 % und eine Kostenersparnis von 11 %. 27 % Gewichtsvorteil und 13 % Kostenersparnis bringt das Längsträgerkonzept, wenn man zusätzlich den neu entwickelten höchstfesten Mehrphasenstahl TPN-W 780 einsetzt und die Blechdicke entsprechend reduziert. Das Umformverhalten beider Bauteile wurde auf der Basis von Umformsimulationen und einer erweiterten Versagensbewertung durch Crach-FEM überprüft. Um die Übernahme geschlossener Profile in den automobilen Rohbau zu erleichtern, hat das Entwicklungsteam aufbauend auf dem Längsträger eine 16-teilige Baugruppe entwickelt, die unter anderem auch die Federbein-Aufnahme umfasst. Dieses Modul lässt sich per Widerstandspunktschweißen in eine Rohkarosserie einbauen.
Magnesium im Autodach
Leichtbau auf höchstem Niveau bietet nach Angaben der Thyssen Krupp-Ingenieure das Incar-Magnesium-Dach: Mit nur 8,94 kg ist das Rohbau-Dachmodul 62 % leichter als das Vergleichsprodukt aus Stahl. Im High-End Segment der exklusiven und leistungsstarken Nischenfahrzeuge positioniert, besitzt das Magnesiumdach vor allem im Wettbewerb mit den vergleichbar leichten Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK) deutliche Kostenvorteile. Das Dachmodul erfüllt die gängigen Crashanforderungen und weist Steifigkeitswerte auf, die die Vorgaben der Referenzstruktur leicht übertreffen. Die Serientauglichkeit ist durch FEM-Simulationen, umfangreiche Tests und seriennahe Prototypfertigung abgesichert. Als Fügetechniken eignen sich sowohl konventionelle Schweißverfahren wie Punktschweißen, MIG- und Laserstrahlschweißen als auch gebräuchliche kalte Fügeverfahren wie Nieten, Schrauben oder Kleben.
Um die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Stahl und Magnesium auszugleichen, wird das Dachmodul durch Kleben mit der Rohkarosserie verbunden und im Bereich der B-Säule zusätzlich verschraubt. Die dabei entstehende Metallfuge lässt sich beispielsweise durch eine selbstklebende Schmutzdichtung schützen. Das Magnesiumdach ist in unterschiedlichen Varianten, zum Beispiel auch als Schiebedach, problemlos in verschiedene Rohkarosserien integrierbar. Die Baugruppe ist aus einer sechsteiligen Rahmenkonstruktion und einem Außenblech zusammengesetzt, wobei Unterkonstruktion und Außenblech zuvor separat mit einer keramischen Steinschlagschutzbeschichtung versehen werden. Als Modullösung lässt sich das Magnesiumdach komplett bei einem Zulieferer fertigen und vor der Serienlackierung in den Produktionsprozess des Automobilherstellers einsteuern.
Thyssen Krupp;
Telefon: 0203 5225692; E-Mail: erwin.schneider@thyssenkrupp.com
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