Leichtbau in der Fahrzeugtechnik: mit 71 Tabellen
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Wiesbaden
Springer Vieweg
2013
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INHALTSVERZEICHNIS
1 LEICHTBAU ALS TREIBER VON INNOVATIONEN 1
1.1 TRIUMPHE DURCH LEICHTGEWICHT 1
1.2 ROADMAP LEICHTBAU 14
1.2.1 BAUWEISEN DER KAROSSERIE 14
1.2.2 BAUWEISEN IM ANTRIEBSSTRANG 18
1.2.3 BAUWEISEN IM FAHRWERK 24
LITERATUR 29
2 DIE TECHNISCHE MOTIVATION 31
2.1 FAHRWIDERSTAENDE 31
2.2 EINFLUSS DER GEWICHTSREDUZIERUNG AUF DIE FAHRDYNAMIK 39
2.3 GEWICHTSSPIRALE 40
LITERATUR 42
3 DIE LEICHTBAUSTRATEGIEN 43
3.1 EINTEILUNG DER LEICHTBAU-STRATEGIEN UND METHODEN 43
3.2 STOFF-LEICHTBAU 52
3.2.1 WECHSEL DER WERKSTOFFE 52
3.2.2 ARTGLEICHER WERKSTOFF. 55
3.2.3 FERTIGUNGSLEICHTBAU 58
3.2.4 LEICHTBAU-KENNZAHLEN 60
3.3 FORMLEICHTBAU 64
3.4 KONZEPTLEICHTBAU 68
3.4.1 DIFFERENTIAL-UND INTEGRALBAUWEISE 68
3.4.2 SYNTHESE MIT FUNKTIONSINTEGRATION 69
3.5 BEDINGUNGSLEICHTBAU 71
3.6 LEICHTBAU IM PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS DER FAHRZEUGHERSTELLER 72
3.6.1 LEICHTBAU WIRD HYGIENEFAKTOR 72
3.6.2 DER STRATEGISCHE LEICHTBAU (ZIELFINDUNGSPROZESS) IN DER
PRODUKTENTSTEHUNG DER FAHRZEUGHERSTELLER 77
3.6.3 DER TAKTISCHE LEICHTBAU (PLANUNGS- UND MATCHINGPROZESS) 93 3.6.4
DER OPERATIVE LEICHTBAU (ENTWICKLUNGSPROZESS) 95
VII
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IMAGE 2
VIII INHALTSVERZEICHNIS
3.7 VORAUSSETZUNGEN UND KRITERIEN FUER DIE AUSWAHL VON
LEICHTBAULOESUNGEN 99
3.7.1 DIE LEICHTBAUGUETE ALS VERGLEICHSMASSSTAB 101
3.7.2 WIRTSCHAFTLICHKEIT 102
3.7.3 ORGANISATORISCHE VORAUSSETZUNGEN UND FUNKTIONALE KRITERIEN 112
3.7.4 BETRACHTUNGEN ZU GESAMTENERGIEBILANZ UND WIEDERVERWERTBARKEIT 114
LITERATUR 117
4 ANFORDERUNGEN AN DEN LEICHTBAU IM FAHRZEUG 119
4.1 BETRIEBSFESTIGKEITS- UND LEBENSDAUER-ANFORDERUNG IM FAHRZEUGBAU 119
4.1.1 BETRIEBSFESTIGKEITSLASTFAELLE 120
4.1.2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN DER BETRIEBSFESTIGKEIT 121
4.1.3 NEUE WERKSTOFFE ALS BESONDERE HERAUSFORDERUNG 121
4.2 BEEINFLUSSUNG DER BETRIEBSEIGENSCHAFTEN DURCH HERSTELL- UND
PRODUKTIONSPARAMETER 122
4.2.1 BETRIEBSEIGENSCHAFTEN DYNAMISCH BEANSPRUCHTER BAUTEILE 122 4.2.2
BEEINFLUSSUNG DER BETRIEBSEIGENSCHAFTEN DURCH DEN HERSTELLPROZESS 126
4.2.3 FAZIT FUER DAS LEICHTBAUPOTENTIAL 135
4.3 BETRIEBSFESTE DIMENSIONIERUNG VON FAHRZEUGEN : 135
4.3.1 LASTKOLLEKTIV UND SCHADENSAKKUMULATION 135
4.3.2 STATISCHE ZUGFESTIGKEIT UND SCHWINGFESTIGKEIT VERSCHIEDENER
STAHLGRUNDWERKSTOFFE 136
4.3.3 EINFLUSS DER FUEGEVERFAHREN AUF DIE SCHWINGFESTIGKEIT EINER
PRINZIP-PROBE 138
4.3.4 BEISPIEL EINER ABSTRECKGLEITGEZOGENEN DAEMPFERKONSOLE AUS DC04 MIT
VARIABLER BLECHDICKE 140
4.4 ANFORDERUNGEN AN LEICHTBAUWERKSTOFFE UND ENGINEERING DER
BETRIEBSFESTIGKEIT 140
4.4.1 FASERVERBUNDWERKSTOFFE 141
4.4.2 THERMOPLASTE 141
4.4.3 ALUMINIUM 142
4.4.4 SIMULATION - ENGINEERING DER BETRIEBSFESTIGKEIT 144
4.4.5 BEISPIEL: BETRIEBSFESTE GESTALTUNG DER FAHRZEUGKAROSSERIE EINES
LUXUSROADSTERS 148
4.5 PASSIVE SICHERHEIT UND CRASHEIGENSCHAFTEN 151
4.5.1 PASSIVE SICHERHEIT ALS ANFORDERUNG IM FAHRZEUGBAU 151
4.5.2 MODERNE GESTALTUNG VON FAHRZEUGSTRUKTUREN 156
4.5.3 WERKSTOFFANFORDERUNGEN DER PASSIVEN SICHERHEIT 159
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
IX
4.5.4 HERAUSFORDERUNGEN BEI DER SIMULATION VON
LEICHTBAUWERKSTOFFEN 166
LITERATUR 173
5 ANFORDERUNGSMANAGEMENT UND WERKZEUGE FUER LEICHTBAUWEISEN AUF DEM WEG
ZUM MULTI-MATERIAL-DESIGN 177
5.1 MODELLBASIERTES ANFORDERUNGSMANAGEMENT 177
5.1.1 MOTIVATION 178
5.1.2 MODELLIERUNGSANSATZ 179
5.1.3 KONZEPTMODELLIERUNG UND-BEWERTUNG 185
5.2 BERECHNUNGSVERFAHREN ZUR ABLEITUNG VON FAHRZEUGSTRUKTUREN 187 5.2.1
TOPOLOGIEOPTIMIERUNGSVERFAHREN IN DER KONZEPTENTWICKLUNGSPHASE 188
5.2.2 KONZEPTENTWICKLUNG AM BEISPIEL VON FASERVERBUNDWERKSTOFFEN 192
5.3 ANWENDUNGSBEISPIEL - FASERVERBUNDINTENSIVE
SPANT-SPACE-FRAME-BAUWEISE 193
5.3.1 FUNKTIONSPRINZIP DER SCHLUESSELKOMPONENTE RINGSPANT 193 5.3.2
ENTWICKLUNG UND KONSTRUKTION 196
LITERATUR 198
6 DIE LEICHTBAUWERKSTOFFE FUER DEN FAHRZEUGBAU 199
6.1 STAEHLE 200
6.1.1 GRUNDLAGEN DER STAHLGUETEN 200
6.1.2 STAHLSORTEN UND LIEFERFORMEN 208
6.1.3 IF- UND BAKE- HARDENING- STAEHLE 216
6.1.4 MIKROLEGIERTE STAEHLE ZUM KALTUMFORMEN 222
6.1.5 MEHRPHASENSTAEHLE (DP, CP, BS, RESTAUSTENIT, MS) 226
6.1.6 VERGUETUNGSSTAEHLE 231
6.1.7 ULTRAFEINKOERNIGE UND NANOPARTIKELHALTIGE STAEHLE 241
6.1.8 HOCHMANGANHALTIGE STAEHLE MIT TRIP/TWIP-EFFEKT 247
6.1.9 HOCHALUMINIUMHALTIGE STAEHLE ; 258
6.2 LEICHTMETALLE 266
6.2.1 ALUMINIUM-LEGIERUNGEN 266
6.2.2 MAGNESIUMLEGIERUNGEN UND-MATRIX VERBUNDWERKSTOFFE 314 6.2.3 TITAN,
TITANLEGIERUNGEN UND TITANALUMINIDE 336
6.3 MASSIVKERAMIK UND VERBUNDWERKSTOFFE MIT KERAMISCHER MATRIX 347 6.3.1
ANWENDUNGEN IM FAHRZEUGBAU 348
6.3.2 HERSTELLVERFAHREN 357
6.3.3 TYPISCHE ERGEBNISSE UND EIGENSCHAFTEN 360
6.3.4 ZUSAMMENFASSUNG 361
IMAGE 4
X
INHALTSVERZEICHNIS
6.4 KUNSTSTOFFE 362
6.4.1 KUNSTSTOFFE IM EXTERIEUR UND INTERIEUR 362
6.4.2 FASERVERSTAERKTE KUNSTSTOFFE DER FAHRZEUGSTRUKTUR 396
LITERATUR 430
7 WERKSTOFF-UND HALBZEUGTECHNOLOGIEN FUER LEICHTBAU-ANWENDUNGEN 443 7.1
AUSGEWAEHLTE UR-UND UMFORMTECHNOLOGIEN 444
7.1.1 EINTEILUNG DER VERFAHREN 444
7.1.2 VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG FLAECHIGER BAUTEILE 445
7.1.3 WIRKMEDIENBASIERTE UMFORMVERFAHREN 456
7.1.4 VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON PROFILEN UND ROHREN 467
7.1.5 BIEGEN VON BLECHEN, PROFILEN UND ROHREN 473
7.1.6 GIESSVERFAHREN 477
7.2 METALLISCHE TAILORED PRODUCTS (MTPS) 502
7.2.1 UEBERSICHT 502
7.2.2 KONTINUIERLICH HERGESTELLTE TAILORED PRODUCTS 502
7.2.3 DISKONTINUIERLICH HERGESTELLTE TAILORED PRODUCTS 509
7.2.4 METALLISCHE WERKSTOFFVERBUNDE: PLATTIERTE BAENDER BZW.
VERBUNDPROFILE 515
7.2.5 ENTWICKLUNGSTENDENZEN 518
7.3 VERBUND-UND SANDWICHLOESUNGEN. 519
7.3.1 KLASSIFIZIERUNG 520
7.3.2 AUFBAU UND TRAGVERHALTEN VON SANDWICHLOESUNGEN 522
7.3.3 KERN- UND DECKSCHICHTWERKSTOFFE 523
7.3.4 BIEGE- BZW. SANDWICHTHEORIE 528
7.3.5 VERSAGENSARTEN UND INSTABILITAETEN 529
7.3.6 FERTIGUNGSVERFAHREN UND VERBINDUNGSTECHNIKEN 531
7.3.7 AUSWAHLVERFAHREN, ANWENDUNGSBEISPIELE UND FUNKTIONSINTEGRATIONEN
533
7.4 WERKSTOFFTECHNOLOGIEN MIT KUNSTSTOFFEN 538
7.4.1 WERKSTOFFTECHNOLOGIEN MIT THERMOPLASTEN 542
7.4.2 THERMOPLASTISCHE HALBZEUGE - HERSTELLUNG UND VERARBEITUNG 568
7.4.3 WERKSTOFFTECHNOLOGIEN MIT DUROPLASTEN 586
7.4.4 ELASTOMERE 618
7.4.5 REZYKLIERUNGSVERFAHREN FUER THERMOPLASTE, DUROPLASTE UND ELASTOMERE
620
7.5 FUEGEVERFAHREN IN HYBRIDEN LEICHTBAUSYSTEMEN 622
7.5.1 EINFUHRUNG 622
7.5.2 FUEGETECHNISCHE HERAUSFORDERUNGEN NEUER LEICHTBAUWEISEN 624 7.5.3
FUEGEVERFAHREN FUER MULTI-MATERIAL-STRUKTUREN 626
7.5.4 AUSBLICK 662
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS
XI
7.6 OBERFLAECHENTECHNOLOGIE UND SCHICHTVERBUNDE 663
7.6.1 MODERNE WERKSTOFFVERBUNDKONZEPTE FUER VERBRENNUNGSMOTOREN 673
7.6.2 HERSTELLUNG VON THERMISCH GESPRITZTEN ZYLINDERINNENBESCHICHTUNGEN
678
7.6.3 MATERIALAUSWAHL UND WERKSTOFFCHARAKTERISIERUNG 683
7.6.4 SCHICHTCHARAKTERISIERUNG 685
7.6.5 ZIELFELDER UND ANWENDUNGEN FUER LEICHTE ANTRIEBSSTRAENGE 693 7.7
ADAPTRONIK ZUR ERTUECHTIGUNG VON LEICHTBAULOESUNGEN 694
7.7.1 SMART STRUCTURES 695
7.7.2 SCHWINGUNGSISOLATION (EMPFANGERENTSTOERUNG) 696
7.7.3 SEMI-PASSIVE DAEMPFUNG 697
7.7.4 SEMI-AKTIVE KONZEPTE 700
7.7.5 AKTIVE SCHWINGUNGSREGELUNG 705
7.7.6 AKTIVE GERAEUSCH-REGELUNG (ANC)/AKTIVE STRUKTUR-AKUSTIK-REGELUNG
(ASAC) 710
LITERATUR 711
8 RECYCLING, LIFE-CYCLE-ASSESSMENT UND ROHSTOFFVERFUEGBARKEIT 727 8.1
LIFE-CYCLE-ASSESSMENT ALS ENTSCHEIDUNGSHILFE FUER LEICHTBAU 727 8.1.1
METHODISCHE GRUNDLAGEN DER OEKOBILANZ 728
8.1.2 OEKOLOGISCHE BEWERTUNG VON LEICHTBAUWERKSTOFFEN 731
8.2 LEICHTBAU IM END-OF-LIFE KONZEPT 736
8.2.1 RECHTLICHE RAHMENBEDINGUNGEN 736
8.2.2 AUFBEREITUNG VON ALTFAHRZEUGEN 737
8.2.3 END-OF-LIFE EINES LEICHTBAUTEILS 739
8.2.4 METHODISCHES VORGEHEN ZUR BEWERTUNG VON RECYCLINGSTROEMEN... 742
8.3 VERFUEGBARKEIT VON ROHSTOFFEN FUER AUTOMOBILEN LEICHTBAU 744
8.3.1 EINFUEHRUNG 744
8.3.2 ROHSTOFFE FUER DEN FAHRZEUGLEICHTBAU 745
8.3.3 RELEVANTE KRITERIEN DER VERFUEGBARKEIT 748
8.3.4 BEURTEILUNG: KRITISCH ODER NICHT KRITISCH? 751
8.3.5 VERGLEICH DER ERGEBNISSE MIT AKTUELLEN STUDIEN ZU KRITISCHEN
ROHSTOFFEN 761
8.3.6 SCHLUSSFOLGERUNGEN 763
LITERATUR 764
9 LEICHTBAUKONZEPTE FUER HEUTE UND MORGEN 767
9.1 PRAEMISSEN 767
9.2 POTENZIALERSCHLIESSUNG DURCH SYSTEMLEICHTBAU AUF GESAMTFAHRZEUGEBENE
770
9.2.1 SEKUNDAEREFFEKTE IM GESAMTFAHRZEUG 771
9.2.2 FAHRZEUGARCHITEKTUR, FAHRZEUGABMESSUNGEN 772
IMAGE 6
XII
INHALTSVERZEICHNIS
9.2.3 LASTSTUFENKONZEPTE 776
9.2.4 TEILSYSTEMUEBERGREIFENDE OPTIMIERUNG, MODULARISIERUNG 778 9.3
POTENZIALE DES TEILSYSTEMS KAROSSERIE 779
9.3.1 TOPOLOGIEOPTIMIERUNG UND INTEGRALBAUWEISEN 779
9.3.2 WERKSTOFF- UND FERTIGUNGSLEICHTBAU 780
9.3.3 NEUE KONZEPTE UND BAUWEISEN 791
9.4 POTENZIALE DES TEILSYSTEMS MOTOR/ANTRIEBSSTRANG 798
9.4.1 KONZEPTLEICHTBAU 798
9.4.2 WERKSTOFFLEICHTBAU UND LEICHTBAU DURCH MODULARISIERUNG 799 9.4.3
SYNTHESE VON ANTRIEB UND FAHRZEUGPACKAGE 804
9.5 POTENZIALE DER FAHRWERKSKOMPONENTEN 806
9.5.1 KONZEPDEICHTBAU 806
9.5.2 FORMLEICHTBAU 808
9.5.3 LEICHTBAU DURCH WERKSTOFFE UND BAUWEISEN 809
9.6 POTENZIALE DER INNENAUSSTATTUNGSKOMPONENTEN 811
9.6.1 SYSTEMLEICHTBAU/MODULBILDUNG 811
9.6.2 WERKSTOFFLEICHTBAU UND FERTIGUNGSLEICHTBAU 812
9.7 POTENZIALE DES TEILSYSTEMS ELEKTRIK/ELEKTRONIK 812
9.7.1 SYSTEMLEICHTBAU 812
9.7.2 WERKSTOFFLEICHTBAU 813
9.8 TRENDS - WERKSTOFFE UND BAUWEISEN MISCHEN SICH 814
LITERATUR 817
SACHVERZEICHNIS 819
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