Ganzheitliches Konzept für ultra­leichte Fahrzeugstruktur.

Stukturleichtbau, Verbundmaterialien Zuverlässigkeit, Konzeptentwicklung

Geprüftes Halbachsmodul mit applizierten Dehnungsmessstreifen zum Abgleich der Ergebnisse der experimentellen
und numerischen Spannungsanalyse.

Das Ziel des europäisch geförderten Projekts URBAN-EV, an dem das Fraunhofer LBF maßgeblich beteiligt war, lag in der Entwicklung eines leichten 2-sitzigen Elektrofahrzeugs für den städtischen Bereich. Zusätzlich verfügt das Fahrzeug über eine Schwenkachse zum platzsparenden Parken. Die Herausforderung bei der Fahrzeugentwicklung bestand darin, die hohen geltenden Standards für den Insassenschutz mit guten Leistungsdaten für den Fahrbetrieb zu vereinen. Um dies zu erreichen, musste ein konsequenter Leichtbau in den Fokus der Arbeit gerückt werden. Das Fraunhofer LBF übernahm in dem Projekt die Aufgaben, das Schwingfestigkeitsverhalten neuer Leichtbau-Verbindungen zu untersuchen und die Lebensdauerbewertung wesentlicher Fahrzeugkomponenten vorzunehmen.

Rahmenstruktur und Sicherheit

Ein wesentlicher Beitrag zur Masseeinsparung im Fahrzeug wurde durch die Entwicklung einer leichten und stabilen Rahmenstruktur erreicht. Diese Struktur besteht aus Aluminium-Leichtbauprofilen, die über Knotenteile aus Magnesiumguss miteinander verbunden sind. Dazu wurde die Electro Magnetic Puls Technology (EMPT, Projektpartner PST, Alzenau), ein berührungsloses Verfahren zum Fügen elektrisch leitfähiger Materialien, weiterentwickelt. Das Verfahren hat den Vorteil, dass damit im Gegensatz zum Schweißen auch verschiedene Materialien miteinander verbunden werden können und technologische Nachteile, die z.B. beim Kleben auftreten, vermieden werden.

In Voruntersuchungen an bauteilähnlichen Proben dieser so genannten Crimp-Verbindungen konnte nachgewiesen werden, dass sie die im Betrieb auftretenden zyklischen Beanspruchungen zuverlässig ertragen können.

Geprüftes A-Knotenelement mit Rohrstummel des Fahrzeug-Tragrahmens, beide Teile wurden mittels EMPT gefügt.

Längslenker der Fahrzeughinterachse nach der Bauteilprüfung unter Seitenlast (Test mit Salzsprühnebel links / ohne Salzsprühnebel rechts).

Projektpartner und EU Projektgutachter mit Fahrzeugdemonstrator und Fahrzeugkarosserien nach Crashtest (rechts) und erfolgreichem Projektabschluss. (© Cidaut)

Als hoch beanspruchte Komponente der Rahmenstruktur mit Crimp-Verbindung wurde der A-Knoten Lebensdaueruntersuchungen unter kombinierter Biege- und Torsionsbeanspruchung mit konstanten und variablen Amplituden unterzogen. Dabei wurde ein LBF-eigenes standardisiertes Lastprogramm verwendet. In den Versuchen konnten die guten Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen an den gecrimpten Proben bestätigt werden.

Auch in abschließend mit dem Elektrofahrzeug durchgeführten Crashtests beim Projektpartner Cidaut in Spanien bestätigte sich die Zuverlässigkeit dieser Verbindungen.

Betriebsfestigkeitsnachweis der Achse und Optimierung

Neben der Rahmenstruktur wurde die klappbare Hinterachse in die Lebensdaueruntersuchungen einbezogen. Hierzu wurde der Längslenker der Achse sowie das Modul einer Halbachse betrachtet. Die Herausforderung aller Betriebsfestigkeitsuntersuchungen bestand darin, ein durchgängiges Konzept zur Betriebsfestigkeitsbewertung für die betrachteten Bauteile zu erstellen. Dazu gehörten neben der Festlegung relevanter Lastrichtungen die Bereitstellung geeigneter Lastdaten, die Ableitung von Maßnahmen zur Versuchszeitverkürzung sowie eine Lebensdauerabschätzung. Aufgrund des Einsatzes korrosionsempfindlicher Leichtbaumaterialien waren auch Umwelteinflüsse mit zu berücksichtigen. Es wurde gezeigt, dass der Längslenker seitlich einwirkende Sonderlasten sicher ertragen kann. In den Versuchen am Halbachsmodul konnte Optimierungspotential an der konstruktiven Gestaltung der Baugruppe aufgezeigt werden, das bis zum Abschluss des Projekts im September 2018 auch ausgenutzt wurde.

Kundennutzen

Kleine Elektrofahrzeuge für den Stadtbereich sind eine zukunftsweisende Fahrzeugkategorie für die bislang wenige Bemessungsdaten für eine Betriebsfestigkeitsbewertung verfügbar sind.

Die numerische und experimentelle Betriebsfestigkeitsuntersuchung ausgewählter Leichtbaukomponenten ermöglichte es, die Lebensdauerabsicherung in den Prozess der Fahrzeugentwicklung zu integrieren. Durch die Anwendung standardisierter betriebsnaher Lastkollektive wurde sichergestellt, dass während der Prüfung die Bauteilbeanspruchungen im Fahrzeugeinsatz richtig wiedergegeben werden.

Die durchgeführten Untersuchungen bestätigten eine sichere Auslegung der untersuchten Komponenten und ermöglichten eine weitere Optimierung des Fahrzeugkonzepts.

Zusammenfassung

Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projekts »Urban EV« hat das Fraunhofer LBF die Entwicklung und Fertigung eines elektrisch angetriebenen Stadtfahrzeugs in Leichtbauweise begleitet. Die Herausforderung für die Wissenschaftler bestand darin, ein durchgängiges Konzept zur Betriebsfestigkeitsbewertung ausgesuchter Komponenten und Baugruppen zu entwickeln und umzusetzen. Die Vielfalt der angestellten Untersuchungen reichte von der Absicherung der weiter entwickelten Fügetechnologie des EMPT-Crimpens und die Lebensdauerbewertung mittels EMPT gefügter Komponenten über die Prüfung ausgewählter Achskomponenten bis hin zur Betriebsfestigkeitsprüfung eines Halbachsmoduls.

Förderer und Partner

URBAN-EV, www.urban-ev.eu
Funded by the Seventh Framework Programme

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