Karosserieentwicklung und -Leichtbau

In Kapitel 1 wird eine Einführung in die Welt der Automobilentwicklung aus der Perspektive der Karosserieingenieure gegeben. Nachdem zunächst die Anforderungen an PKWs durch die verschiedenen gesetzlichen Richtlinien/Regelungen erläutert werden, werden anschließend die unterschiedlichen Karosseriebauweisen mit Bezug auf mechanische Grundlagen in der geschichtlichen Entstehungsfolge beschrieben. Die wichtigsten Charakteristiken und Vor- und Nachteile der verschiedenen Bauweisen werden behandelt und diskutiert. Zum Schluss werden die Entwicklungsprozesse des Fahrzeugs und der Karosserie beschrieben. Auf die übliche Struktur der Entwicklungsbereiche der OEMs wird Bezug genommen.

In diesem Kapitel wird zuerst das Thema Design behandelt. Die Prozesse und Arbeitsinhalte der Designentwicklung, beginnend mit der Designvorentwicklung, der Erstellung von Sketch und Rendering, gefolgt von der Erstellung des Clay-Modells in verschiedenen Maßstäben, sowohl für das Exterior als auch für das Interior, bis zur Entstehung des Präsentationsmodells werden ausführlich beschrieben. Dabei werden auch die Auswirkungen der gesetzlichen Vorschriften und Fertigungstechniken auf das Design erläutert. Im zweiten Teil des Kapitels werden die Packageauslegungen in Bezug auf die Karosserieentwicklung beschrieben. Neben den verschiedenen Anordnungen für alle Antriebsarten werden die Bauraumeinschränkungen durch alle wesentlichen Fahrzeugkomponenten diskutiert. Vergleiche zwischen Fahrzeugen mit z. B. Verbrennungsmotor und batterieelektrischem Antrieb werden gezogen. Die Auslegung des Innenraums in Bezug auf das Sitzkonzept und Sichtverhältnis werden im Detail erläutert. Am Ende werden die Ergebnisse der Packageauslegung in Form eines Packageplans aufgezeigt. Viele verschiedene typische Karosseriequerschnitte, als ein Ergebnis aus der Design- und Packageentwicklung, werden gezeigt. Damit wird eingeleitet, wie die Karosseriestruktur konstruiert wird.

Dieses Kapitel widmet sich dem Thema Karosseriemechanik als Grundlage für die steifigkeits- und festigkeitsbezogene Karosseriestrukturauslegung. Betrachtet werden sowohl statische als auch dynamische Belastungen der Karosserie durch das Fahrmanöver des Fahrzeugs. Das maximal mögliche Torsionsmoment in einem Fahrzeug, das bei der Bestimmung der Torsionssteifigkeit benutzt wird, wird analytisch hergeleitet. Verschiedene vereinfachte Modelle für die Berechnung der Fahrwerkskräfte, die auf verschiedene Kinematikpunkte der Karosserie einwirken, welche bei verschiedenen Manövern wie Bremsen, Antrieb und Kurvenfahrt entstehen, werden vorgestellt. Darüber hinaus werden am Beispiel eines BEVs die mittels MKS berechneten Kräfte an verschiedenen Kinematikpunkten der Karosserie bei Standardlastfällen aufgezeigt und diskutiert. Der Leser bekommt dadurch eine Vorstellung von der Größe der auf die Karosserie einwirkenden Kräfte, welche für die Strukturauslegung bedeutsam sind.

In diesem Kapitel werden vor allem die metallischen Werkstoffe Stahl und Aluminium sowie deren wichtigsten Fertigungsverfahren für den Karosseriebau vorgestellt. Die bedeutendsten mechanischen Eigenschaften der metallischen Werkstoffe werden überschlägig vergleichend zu Faserverbundkunststoffen und deren Verbund mit Metallen diskutiert. Besonders eingegangen wird auf eine Vorgehensweise bei der Werkstoffauswahl, welche rein auf mechanischen Prinzipien und Werkstoffeigenschaften basiert und analytisch erfolgen kann, anstatt auf „Benchmarking“. Dabei wird auf die essenzielle Bedeutung des Bauraums hingewiesen. Die für die Karosseriekonstrukteure bedeutsamen Prozesse der Stahl- und Aluminiumblechherstellung einschließlich verschiedener Vorprodukte wie „tailored blanks“ werden genauso beschrieben wie die verschiedenen modernen Blechwerkstoffe und deren Eigenschaften. Dabei wird auf die Charakterisierung der Umformbarkeit und die Beurteilung der Duktilität bei den Crashbelastungen näher eingegangen. Die verschiedenen Um- und Urformtechniken für Stahl und Aluminium sowie deren Anwendungen in der Karosserie werden mit zugehörigen Vor- und Nachteilen sowie besonderen Problemen wie z. B. der Rückfederung/Maßhaltigkeit diskutiert. Die wichtigsten Verbindungstechniken werden ebenfalls beschrieben. Hier werden neben den Standardverfahren auch neue Fügeverfahren für Karosserien aus Multimaterialsystemen detailliert behandelt. Grundlegende Konstruktionsregeln werden angegeben.

In diesem Kapitel werden zunächst neben den bekannten Biege- und Torsionssteifigkeiten auch die Quersteifigkeiten der Karosserie sowie deren Einfluss auf die Fahreigenschaften des Fahrzeugs besprochen. Diese Analyse beruht auf einer Verformungsanalyse der Karosserie und deren Auswirkung auf die Radstellungen sowie weitere Fahrwerksparameter. Anschließend wird eine analytische Methode zur Berechnung der Karosseriebelastungen durch Biege- und Torsionslastfälle vorgestellt. Das „3S-Modell“ besteht aus vielen vereinfachten scheibenartigen Elementen in einem statisch bestimmten System. Mittels der berechneten Kräfte und Momente kann der Leser eine klare Vorstellung von den Karosseriebelastungen gewinnen, bevor die Struktur mittels CAD konstruiert und per FEM berechnet wird. Somit kann er auch einige wichtige Konstruktionsmerkmale ableiten. Diese Merkmale beinhalten u. a. die Karosserieübergänge, die Knoten, die Gleichmäßigkeit der Steifigkeit, die lokalen Steifigkeiten, den Schubfeldträger etc. Sie werden anhand vieler Beispiele aus vergangenen und aktuellen Karosserien erläutert. Auch die Bedeutung des Batteriegehäuses in einem BEV wird besprochen.

Im Anschluss an das Kap. 5, in welchem die Steifigkeit behandelt wurde, widmet sich dieses Kapitel den Anforderungen an die Karosserie seitens der passiven Sicherheit, welche in den letzten 30 Jahren die Karosserieentwicklung entscheidend geprägt hat. Ausgehend von der Unfallforschung und den Grundlagen der Biomechanik werden die Grundprinzipien und die biomechanischen Kenngrößen für die Insassen- und Fußgängersicherheit für die häufigsten Verkehrsunfälle hergeleitet. Die wichtigsten verwendeten Dummies werden kurz vorgestellt. Im Anschluss daran wird gezeigt, wie, ausgehend von den Unfallstatistiken, die verschiedenen nationalen und internationalen gesetzlichen Regularien für die passive Sicherheit abgeleitet wurden. Diese Richtlinien werden hinsichtlich der wichtigsten Versuchsdurchführungs-vorschriften und der zu bestimmenden biomechanischen Kennwerte einzeln besprochen. Für die verschiedenen Kategorien, wie z. B. Front-, Seiten-, Heckcrash etc. wird jeweils eine vergleichende Zusammenfassung erstellt. Darüber hinaus werden die Marktanforderungen wie die NCAPs in Europa und USA ausführlich dargestellt und mit den gesetzlichen Anforderungen verglichen. Die Versuchstechniken werden ebenfalls kurz vorgestellt.

Ausgehend von der Strukturcharakteristik des Vorderwagens wird zuerst die Grundlage der Karosserieauslegung für die Frontkollision behandelt, gefolgt von der Auslegung für den Seiten- und Heckaufprall. Dabei werden die Geschwindigkeitsverläufe und die Verzögerungen des Fahrzeugs und der Insassen analysiert, welche die Grundlage für den Insassenschutz darstellen. Um bestimmte Verzögerungsverläufe zu erhalten, müssen die Karosseriestrukturbauteile die kinetische Energie absorbieren. Für axiale Beanspruchungen werden die Faltungsvorgänge und -mechanismen genutzt, um die Energieabsorption näherungsweise zu berechnen, was eine analytische Vorauslegung von Bauteilen wie z. B. der Crashbox und der Längsträger ermöglicht. Die Energieaborptionsrate und das Lastniveau unterschiedlicher Werkstoffe und Bauteilgeometrien werden verglichen. In der weiteren Ausführung werden die Vorderwagen-, Seiten- und Heckstruktur sowie die abstützenden Strukturen für die in Kapitel 6 beschriebenen verschiedenen Crashbelastungen an mehreren Beispielen für ICE- und BEV-Fahrzeuge beschrieben und diskutiert. Typische Geschwindigkeits- und Verzögerungsverläufe sowie Last- und Energieverteilungen werden gezeigt, die dem Leser bei eigenen Entwicklungen als Zielwerte dienen können. Neben gewöhnlichen PKWs werden auch Cabriolets und Pick-ups behandelt. Entwicklungen des Werkstoffeinsatzes und des Leichtbaus werden für einen Zeitraum von über drei Jahrzehnten diskutiert. Zum Schluss werden die Insassenschutzsysteme, welche Sicherheitsgurte, verschiedene Airbags und sekundäre Komponenten enthalten, hinsichtlich ihrer Wirkungsweise, der zeitlichen Wirkungsfolge und der Auswirkungen für den Insassenschutz beschrieben. Auch die neuen Schutzsysteme für die Batterie der BEVs werden zum Schluss kurz dargelegt.

Dieses Kapitel ist vor allem für die Automobilzulieferindustrie gedacht, die viele Karosseriemodule mit begrenzten Informationen seitens der OEMs selbstständig entwickelt, produziert und an die OEMs liefert. Dazu zählen neben dem Stoßfänger, den Montageträgern für den Kühler und den Scheinwerfern auch der Instrumententafelträger und der Batteriekasten. Bei all diesen Modulen werden zunächst die gesetzlichen und marktseitigen Anforderungen an das Modul, der zur Verfügung stehende Bauraum und die wichtigsten Schnittstellen zum Fahrzeug beschrieben, gefolgt von der Bauweise sowie der Auslegung des Moduls. Für die im neuen BEV eingesetzten Batteriekästen werden insbesondere die Wechselwirkungen mit der Karosseriestruktur aufgezeigt. Weitere Sub-Systeme werden aus dem Gesamtsystem abgeleitet und im Detail beschrieben. Des Weiteren wird die FEM-Methode für die Produktentwicklung auf der Bauteil-/Komponentenebene, beispielhaft für eine B-Säule und eine Tür, beschrieben. Diese Entwicklung soll ohne Vorhandensein eines FE-Modells für das Gesamtfahrzeug durchgeführt werden, da dieses i. d. R. nicht von den OEMs zur Verfügung gestellt wird. Entsprechende Testaufbauten auf Bauteil-/Komponentenebene werden ebenfalls vorgestellt.

Nachdem in Kap. 6 und 7 in erster Linie die Regularien für das Fahrzeug und die Strukturentwicklung der Karosserie im Hinblick auf den Fahrzeuginsassenschutz behandelt wurden, steht in diesem Kapitel der Schutz des Unfallgegners und des Fußgängers im Vordergrund. Die entwickelten Fahrzeuge müssen zu anderen Fahrzeugen und Fußgängern „kompatibel“ sein. Es werden zuerst die erforderlichen Struktureigenschaften der Karosserie (z. B. des Vorderwagens) und die gewünschte Karosseriegeometrie sowie die Anordnung der Aggregate beschrieben, um die Insassen in beiden Fahrzeugen gut zu schützen, wenn zwei Fahrzeuge mit unterschiedlichem Gewicht (und Größe) miteinander kollidieren. Im zweiten Teil werden die gesetzlichen Vorschriften für den Schutz des Fußgängers, was vor allem Kopf, Hüfte und Beine betrifft, mit den entsprechenden Strukturmaßnahmen in der Karosserie vorgestellt. Viele praktische Beispiele aus den neusten Entwicklungen verschiedener OEMs erleichtern das Verständnis.

In diesem Kapitel werden die Entwicklungen für Türen und Klappen gängiger PKWs vorgestellt. Ähnlich wie in Kapitel 7 bis 9 werden ausgehend von den technischen und gesetzlichen Anforderungen sowie vom Bauraum die Strukturentwicklungen besprochen. Dabei werden zunächst die Türen behandelt, die von allen Klappen die umfangreichsten Anforderungen aufweisen. Die verschiedenen Bauweisen werden zusammen mit dem entsprechenden Werkstoffeinsatz und den dazugehörigen Fertigungsverfahren diskutiert, wobei auch Wert auf die zukünftigen neuen Leichtbauentwicklungen gelegt wird. Auf die Aggregatenintegration und Dichtungen wird ebenfalls eingegangen. Die bei den Türen aufgezeigten Anforderungen und Konstruktionsprinzipien lassen sich vielfach auch auf Motorhaube und Heckklappe anwenden.

Im letzten Kapitel des Buches wird die Fahrzeug- und Karosseriemodularisierung beschrieben, ergänzt durch die wichtigsten Aspekte der Karosseriefertigung. Verschiedene Begriffe wie Gleich- und Systemteile, Module, Plattform und Baukasten etc. und deren Bedeutung für die Autoindustrie werden eingeführt. Technisch werden vor allem verschiedene Möglichkeiten zur Bildung einer flexiblen und variierbaren Plattform am Beispiel ausgewählter OEM-Fahrzeuge gezeigt, um auf einer einzigen Plattform mehrere Fahrzeuge mit stark unterschiedlichen Abmessungen und Gewichten kostengünstig zu bauen. Es wird gezeigt, wie verschiedene Längen und Breiten der Karosserie mit unterschiedlichen Lastniveaus für die einzelnen Strukturen auf einer Grundstruktur realisiert werden können. Anschließend wird beschrieben, wie verschiedene Fahrzeuge einer Plattform zusammengebaut werden. Die Veränderungen der Fügetechniken für den Karosseriebau in den letzten 30 Jahren werden vorgestellt. Das Thema des Materialnutzungsgrades und der Wirtschaftlichkeit wird ebenfalls angeschnitten. Zum Schluss wird das Thema Karosserielackierung behandelt, wobei vor allem die für den Werkseinsatz und -Leichtbau bedeutsamen Prozessschritte besonders beschrieben werden.