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Forschung

Einfluss der Eigenspannungen auf die Lebensdauer von Fahrwerksfedern aus Stahl



 

 

Automobiler Leichtbau gehört seit einigen Jahren zu den Innovationstreibern in der Automobilindustrie. Globale Megatrends, z. B. Klimaschutz, neue Fahrzeugkonzepte, z. B. Elektromobilität und gesetzliche Vorgaben zur CO2-Emission werden die Anstrengungen der Automobilhersteller zum Leichtbau verstärken. Leichtbau hat bei Fahrwerksfedern aus Stahl bereits seit vielen Jahren eine besonders große Bedeutung, da diese Bauteile als Teil der ungefederten Massen im Fahrwerk eine möglichst geringe Masse haben sollen. Dazu werden Fahrwerksfedern aus sehr hochfesten Stählen gefertigt. Zudem werden im Fertigungsprozess Eigenspannungen so in den Werkstoff eingebracht, dass die Lebensdauer bei dynamischer Beanspruchung deutlich angehoben werden kann. Neben den gewünschten Eigenspannungen der I. Art, den Makroeigenspannungen, werden aber auch Eigenspannungen der II. und III. Art, die Mikroeigenspannungen, erzeugt. Mikroeigenspannungen entsprechen im Gegensatz zu der Messung von Makroeigenspannungen noch nicht dem Stand der Technik. Deshalb muss im Rahmen der Forschungstätigkeit eine Vorschrift zur Messung von Mikroeigenspannungen entwickelt werden. Aus der Literatur ist ein Zusammenhang zwischen ESP der II. Art und Bauteillebensdauer bekannt. Jedoch fehlen die Aussagen zur quantitativen Beschreibung und die Kenntnis des Mechanismus. Hier soll die Forschungstätigkeit ansetzen.

 

Leichtbau von Fahrzeugtragfedern mit beanspruchungsgerechtem Design durch funktionale Gradierung an Drähten aus Federstahl

Ansprechpartner: Alexander Tump

 

 

 


Fossile Rohstoffe verschwinden zunehmend von der Erde und in der Folge steigen die Rohstoffpreise rasant. Überall fordern Umweltrichtlinien energiesparende und ressourcenschonende Technik. In der automobilen Forschung heißt das Zauberwort dieser zukunftsorientierten Entwicklung "Leichtbau". Leichtbaukonzepte reduzieren das Fahrzeug- und Bauteilgewicht, ohne die erforderliche Sicherheit oder den verlangten Komfort zu beeinträchtigen. Durch ein geringeres Fahrzeuggewicht sinken Verbrauch und Emissionen. Die Ressourceneffizienz des Fahrzeugs steigert sich erheblich. In der Herstellung von Fahrwerkskomponenten, z. B. Fahrzeugfedern, hat sich der Leichtbau schon lange etabliert. Fahrwerkskomponenten müssen funktionsbedingt eine möglichst geringe Masse haben. In dieser Arbeit werden Tragfedern betrachtet. Sie erfordern extrem hochfeste Federstähle mit Festigkeiten größer 2000 MPa, um maximalen Leichtbau möglich zu machen. Das Problem: Bei weiterer Festigkeitssteigerung nehmen schädigende Eigenschaften, z. B. Kerb- und Korrosionsempfindlichkeit, zu. Dies setzt dem Tragfedern-Leichtbau Grenzen. Genau hier setzt die Forschungs- und Entwicklungstätigkeit des Projektes an. Die Grenzen bei Leichtbau mit Federstahl sollen überwunden werden. Durch eine Modifikation der Wärmebehandlung wird eine lokale Änderung der Härte bzw. Festigkeit in der Drahtrandzone vorgenommen. Die Randzone hat für Tragfedern besondere Bedeutung, da dort die maximale Spannung anliegt. Weiterhin gehen viele Schädigungsmechanismen, die zum Bauteilversagen führen, von der Oberfläche bzw. vom oberflächennahen Bereich aus. Eine funktionale Gradierung der Randzone ist daher erfolgversprechend. Die Gradierung wird so gewählt, dass Schädigungsmechanismen abgeschwächt und die Funktion der Fahrzeugfeder optimal unterstützt wird. Eine Erhöhung der Werkstoffausnutzung wird möglich. Weitere Bauteilmasse kann reduziert werden. Nähere Einzelheiten finden Sie hier.                                                           

 

 

 

Werkstoffentwicklung für eXtra-Force Federbandschellen

Ansprechpartner: Thomas Bieker

 


Das Thema Leichtbau ist seit vielen Jahren u. a. durch die Forderung der Politik, die CO2-Emission von Neufahrzeugen kontinuierlich zu senken, in der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken. Leichtbau ist bereits bei vielen neuen Entwicklungen, z. B. Audi Space Frame oder CFK Fahrzeug BMW i3, die treibende Kraft gewesen und wird es auch künftig sein. Federbandschellen (FBS) sind selbstspannende Dichtungselemente, welche im Automobilbereich und in Industrieanwendungen bei einer Vielzahl verschiedener Schlauch-Stutzen-Verbindungen als Dichtelement eingesetzt werden. Im Bereich der FBS sind neben dem Bestreben des Leichtbaus und der Bauraumreduzierung die steigenden Anforderungen an das System FBS - Schlauch - Stutzen ein Haupttreiber für Weiterentwicklungen. Da bei Verwendung des aktuellen Materials 51CrV4 viele Anwendungen mit hohen Spannkräften nur durch aufwändig herzustellende Doppelband-FBS realisierbar sind, soll eine neue Singleband-FBS entwickelt werden. Ziel ist es, Arbeitsbereich und Spannkraft um ca. 10% zu erhöhen. Dazu ist eine Werkstoffentwicklung nötig, welche eine Festigkeits- und Streckgrenzensteigerung von ca. 20% gegenüber dem aktuellen Material ermöglicht. Zum einen sollen im Rahmen der Werkstoffentwicklung die Eigenschaften der Materialalternativen untersucht werden. Zum anderen sollen Bruchphänomene und die zugrunde liegenden Mechanismen zum Gegenstand der Forschung gemacht werden.

Nähere Einzelheiten finden Sie hier.

Höherfester Werkstoff für den Einsatz als Rohrstabilisator

Ansprechpartner: Mario Mücher


Reduktion von CO2-Emission und ressourcenschonende Konstruktionen gewinnen in Zukunft immer mehr an Bedeutung. Auflagen zum Klimaschutz werden die Bemühungen, Leichtbau auch im Fahrwerksbereich zu betreiben, verstärken. Zu den federnden Elementen im Fahrwerksbereich gehören Stabilisatoren, die im ursprünglichen Sinn Drehstabfedern darstellen. Sie sorgen für eine Reduktion der Wankbewegung bei Kurvenfahrten. Durch die gebogene Form wird bei Belastung ein mehrachsiger Spannungszustand induziert. Stahl als geeigneter Werkstoff rückt hier in den Fokus. Um Leichtbau realisieren zu können, wird die Wandstärke reduziert bei gleichzeitig steigendem Außendurchmesser. Die Spannungen auf der Innenseite wachsen dadurch schneller als an der Außenoberfläche und limitieren den Leichtbau bei Verwendung von Konstantwandrohr. Durch den Einsatz von Tailor Tubes lassen sich die Spannungen jedoch homogenisieren (s. Abb. oben). Der Ausnutzungsgrad des Materials steigt. Die Grenzspannung wird jedoch nicht verändert. Weitere Gewichtseinsparung lässt sich durch steigende Beanspruchbarkeit realisieren. Unter der Annahme, dass die dynamische Beanspruchbarkeit proportional zur Zugfestigkeit ansteigt, kann durch den Einsatz von höherfestem Werkstoff weniger Material für die gleiche Bauteilfunktion eingesetzt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Herstellung von Tailor Tubes aus höherfestem Material zu entwickeln. Somit wird das Potential zur Gewichtsreduzierung durch steigende Beanspruchbarkeit ausgeschöpft.

Nähere Einzelheiten finden Sie hier.