Erhebliche Leichtbaureserven in massivumgeformten Kfz-Bauteilen

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Redaktionsbüro Klaus Vollrath

Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V.

Die zweite Alternative für den Konstrukteur besteht darin, innerhalb der gleichen Werkstofffamilie Legierungen mit höherer Festigkeit zu wählen. Gerade in der Massivumformung wurden in den letzten Jahren leistungsfähige neue Werkstoffkategorien entwickelt. Besonderes Interesse gilt dort den neuen hochfesten, duktilen bainitischen HDB-Stählen, die sich im Vergleich mit den vielfach eingesetzten ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen AFP-Stählen bei vergleichbaren Kosten durch deutlich höhere Festigkeit bei zugleich hoher Zähigkeit auszeichnen. Ein Beispiel ist die in Bild 3 gezeigte Anhängerkupplung, für die eine mögliche Gewichtsreduzierung von 10 % ermittelt wurde.

Konstruktiver Leichtbau erfordert Kenntnis der Belastungsverläufe

Beim konstruktiven Leichtbau wird versucht, das Leichtbauziel durch konstruktive Veränderungen der Bauteilgeometrie zu erreichen. Dabei wird in erster Linie eine möglichst gleichmäßige Ausnutzung des Materialvolumens beziehungsweise eine möglichst dünnwandige Konstruktion angestrebt. Voraussetzung ist eine genaue Kenntnis der Belastungsverläufe im Bauteil, wofür in der Regel Finite-Elemente-Analysen eingesetzt werden.

Anschauliches Beispiel für eine solche konstruktive Leichtbaulösung ist die geometrische Optimierung einer Kurbelwelle durch Einschmiedung von Einschnürungen im Bereich der Hublager (Bild 4). Eine überschlägige Wuchtberechnung zeigte, dass dadurch auch an den Gegengewichten Werkstoff eingespart werden konnte.

Im Fahrwerk ergaben sich zahlreiche Leichtbauanregungen für die Radnaben. Diese Bauteile wurden bislang – eher unter wirtschaftlichen Prioritäten denn unter Leichtbauaspekten – rotationssymmetrisch ausgelegt. Ihre Gesamtmasse beträgt 6,96 kg. Die hier vorgestellte Lösung ist recht ambitioniert und erfordert erhebliche Veränderungen der Verfahrenstechnik. In einem ersten Schritt wurde zunächst der Flansch durch Einschnürungen in eine pentagonale Außenkontur überführt (Bild 5). Für die Befestigungsauflage der Felgen verbleiben lediglich fünf einzelne Stege in der erforderlichen Stärke. Zudem wurde der Lagersitz der Nabe unterbrochen und auf der dem Lagerzapfen abgewandten Seite eine steifigkeitsfördernde Innenkontur vorgesehen. Auch der bisherige Zentrierring für die Felgenbohrung wurde mehrfach unterbrochen. Das Gesamteinsparpotenzial betrug für alle vier Naben 2,88 kg.

Konzeptleichtbau erreicht häufig eine signifikante Verringerung der Masse

Beim Konzeptleichtbau, teilweise auch als Systemleichtbau bezeichnet, betrachtet man die Auswirkungen der Änderung an einer spezifischen Komponente auf das zugehörige Teil- oder Gesamtsystem [3]. Gewichtseinsparungspotenziale ergeben sich durch die entsprechenden gegenseitigen Anpassungen. Dadurch wird das Gewicht des Gesamtsystems gesenkt. Diese Vorgehensweise erfordert zwar oft erhebliche Änderungen an Design und Anordnung der Komponenten (Package), führt in der Summe aber oft zu einer signifikanten Verringerung der Gesamtmasse.

Beispiel für eine solche Vorgehensweise ist die Umstellung der Verbindung der Lagerschalen eines Pleuels auf Verbindungselemente mit höherer Festigkeit (Bild 6). Dadurch kann der Pleuel unter Beibehaltung der erforderlichen Wanddicken schmaler und dünner ausgeführt werden. Zudem ergeben sich gerade bei solchen Gewichtsminderungen an bewegten Massen größere Sekundäreffekte im Motor, die wiederum weiteres Verbesserungspotenzial an Lagern oder Ausgleichswellen ermöglichen. Bei vollständiger Berücksichtigung dieser Sekundäreffekte ergibt sich ein Gewichtsminderungspotenzial von circa 1 kg. MM

Literatur:

[1] Raedt, Hans-Willi; Wilke, Frank; Ernst, Christian-Simon (2014): „Initiative Massiver Leichtbau, Leichtbaupotenziale durch Massivumformung“. In: ATZ 116 (2014), Nr. 3, S. 58–64.

[2] Severin, Frank (2014): Massiver Leichtbau – Potenziale massivumgeformter Komponenten. Industrieverband Massivumformung, Hagen. ISBN: 978-3-928726-33.

[3] Henning, Frank; Moeller, Elvira (2011): Handbuch Leichtbau. Methoden, Werkstoffe, Fertigung. München: Carl Hanser Verlag. ISBN: 978-3-446-42267-4.

* Klaus Vollrath ist freier Journalist. Weitere Informationen: Industrieverband Massivumformung e.V. in 58093 Hagen

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