karosserieleichtbau als baustein einer co2

16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007 1

Karosserieleichtbau als Baustein einer CO2-Reduzierungsstrategie Contribution of Light Weight Car Body Design to CO2 Reduction Dr.-Ing. Martin Goede Volkswagen AG, Wolfsburg

Zusammenfassung

Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und die damit verbundene CO2-Reduktion kann sowohl durch antriebstechnische als auch fahrzeugtechnische Maßnahmen erreicht werden. Unter den fahrzeugtechnischen Maßnahmen besitzt der Leichtbau eine sehr große Bedeutung. Die konsequente Fortführung des Karosserieleichtbaus nimmt bei der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs eine wichtige Rolle ein. Mit neuen und innovativen Materialien und Verfahren können als Faustformel 0,25 Liter Kraftstoff je 100 Kilogramm Gewichtsreduzierung eingespart werden. Nachhaltiger Karosserie-Leichtbau kann nur durch ganzheitliche Betrachtung von Werkstoffkonzepten und Bauweisen sowie den zugehörigen Herstellungsverfahren weiterentwickelt werden. Innovative Ansätze müssen im Zielkonflikt von Gewichtsreduzierung und ökonomischer Vertretbarkeit methodisch bewertet werden, um unter den jeweiligen Randbedingungen optimierte Lösungen abzuleiten.

Langfristig können nur Leichtbaukonzepte zum Einsatz kommen, welche unter den Kriterien Kosten, Stückzahl, Gewicht und Funktion das beste Eigenschaftsprofil ausweisen. Moderne Werkstoffhybride und intelligente Mischbauweisen besitzen ein hohes Anwendungspotenzial für zukünftige Leichtbaustrategien im Karosseriebau.

Abstract

Reduction of fuel consumption and corresponding CO2 emissions reduction can be achieved by powertrain or vehicle technology related measures. In the field of vehicle technology measures light weight design has a significant impact. Consequent development of light weight design plays a major role for further fuel consumption reduction. Light weight application by innovative materials and manufacturing generally contribute to fuel economy by 0,25 liter fuel saving per 100 kilogramm weight reduction. Sustainable car body light weight design can be developed only through global consideration of material and design concepts together with applicable manufacturing methods. Innovative approaches have to be assessed across the target conflict of weight reduction needs and economic justification to identify most

2 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007

suitable solutions within respective requirements. In the long therm only light weight concepts will be applied that result in the best performance meeting cost, weight, volume and functionality critirea. Innovative hybrid materials and intelligent multi-material design show high application potentials for future car body light weight strategies.

Dr. Goede, Volkswagen AG

Karosserieleichtbau als Baustein einer CO2-Reduzierungsstrategie

InhalteInhalte

Globale Trends und Herausforderungen

CO2-Emissionen und Handlungsfelder

Gewichtsreduzierung in der Fahrzeugstruktur

Trend zu Mischbauweisen / F&E Herausforderungen

CO2-Reduzierungsstrategien

Schlussfolgerungen

Abb. 1



Automobilbau im Spannungsfeld zwischen ….

Abb. 2


Gegenläufige Anforderungen für die Fahrzeugentwicklung

Mobilität / Komfort Ökologie / Ökonomie

Abb. 3



Globale gesellschaftsrelevante Herausforderungen

20301995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

Abgasemissionen CO, NOX, HC, PM

Treibhausgase CO2

Energie

Wac

hsen

de B

edeu

tung

Abb. 4


Globale Märkte – Trends und Herausforderungen

+4,4%

+24,9%

+8.8%

+41,6%

Wachstumsprognose 2005-2015Quelle: POLK, 2006

Abb. 5



Globale Märkte – Trends und Herausforderungen

+4,4%

+24,9%

+8.8%

+41,6%

Wachstumsprognose 2005-2015Quelle: POLK, 2006

Abb. 6


Fazit globaler Anforderungen

Quelle: Poznanski-Eisenschmidt

Abb. 7



Anteil des PKW Verkehrs am Treibhausgasausstoß

Abb. 8


80

100

120

140

160

180

190

200

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

CO

2-Em

issi

onen

[g/k

m]

Flottenverbrauch (ACEA)

Maßnahmen zur VerbrauchsreduzierungWelchen Beitrag kann Leichtbau leisten?

2016

Avisierte CO2-Emissionsreduzierung EU: 130gCO2/km bis 2012

~ 6,3 l/100km

~ 5,2 l/100km

cw * A

StromverbrauchRollwiderstand

Leichtbau

Aggregatseitige

Maßnahmen

>50

<5

~13

ca.15

~14

~15

Anteiliger Kraftstoffverbrauch(NEFZ, Fzg. 1300kg)

∆ ca. 20%

Abb. 9



Stoffleichtbau• hoch-/höherfeste Stähle• Leichtmetalle (Al, Mg)• Kunststoffe• Hybride Konzepte• ……

Kernkompetenzen im Leichtbau

Formleichtbau

Fertigungsleichtbau• Blech, Guss, Profil• Formgebung• Fügetechnik• ……

• Konzeptauslegung• Strukturberechnung• Topologieoptimierung• …….

Umwelt-Leichtbau• Beitrag zur CO2-Reduzierung

Bezahlbarer Leichtbau• Kosten / Gewicht / Stückzahl

Abb. 10


Stromverbrauch1A ~ 0,3 g CO2/km

Fahrzeugtechnische CO2-KennzahlenEinfluss der Fahrwiderstände auf den Verbrauch im NEFZ

Gewicht100kg ~ 8,5 g CO2/km

Roll-widerstand

10/00 ~ 2g CO2/km

Luftwiderstand(~ cw*A)

0,1m² ~ 3,5 g CO2/km

MechanischerLeistungsbedarf1kW ~ 15 g CO2/km

(Werte gelten für Ottomotor)Quelle: Rohde-Brandenburger

Abb. 11



Strategien im Fahrzeugleichtbau

110

120

130

Gew

icht

[%]

1001975 1980

Baujahr2010 20152000 2005

Umkehr der

Gewichtsspirale

Maßgebliche Handlungsfelder• Bauteil- u. Funktionsintegration• Neue Werkstoff- u. Fertigungstechniken• Kosten-Gewichts-Optimierung

1985 1990 1995

Forderung:

Umkehr der

GewichtsspiraleGolf Ica. 800 kgbis 51 kW3705 x 1610 x 1410 (L x B x H, mm)

140

15040%

24%

16%

15%5%Ausstattung

Antrieb

Elektrik

Fahrwerk

Karosserie

Gewichtsanteile im Fahrzeug (heute)

Golf Vca. 1200kg bis 140 kW4149 x 1735 x 1439

Gradientca. +20 kg/a

Gradient ca. +10 kg/a

Gradient - x kg/a

Abb. 12


Entwicklung der Fahrzeuggewichte

Quelle: EBK / Poznanski-Eisenschmidt

Abb. 13



Entwicklung der Fahrzeuggewichte


Abb. 14


Der neue Passat – Leichter als sein Vorgänger


Abb. 15



Der Passat B6 – Beispiel für konsequenten Strukturleichtbau

Eine Reihe innovativer Stahl-Leichtbaulösungen umgesetzt


Abb. 16


Die Karosserie des neuen Passat Gewichtsreduzierung durch werkstoffgerechte Strukturoptimierung


Abb. 17



Gewicht Kastenrohbau: 296 kg

Optimierter Stahleinsatz im neuen Passat

x + 63 mmy + 74 mmz + 10mm


Abb. 18


Einsatz formgehärtete Bauteile im neuen Passat Einsatz von 22MnB5• Fußraumquerträger (innen + außen)• Tunnel• Seitenteil innen, oben• B-Säule innen• Schweller innen• Stoßfängerquerträger

Vorteil gegenüber kalt umgeformten Stählen:• überlegene Festigkeiten• kein Aufsprungverhalten• hohe Bauteilkomplexität realisierbar• gute Formgenauigkeit• hohes Gewichtseinsparpotenzial

Angepasste Fügetechnik--- Laserschweißen --- Laserlöten--- Punktschweißen + Kleben

-5,1 kg

-2,3 kg


Abb. 19



Weiterentwicklung der AudiSpaceFrame-Technologie

Quelle: Timm

Merkmale- wenige, große multifunktionale Gussteile- mehr einfache gerade Strangpressprofile- große Strangpressprofile- einfache Blechteile- weniger Bauteile (Funktionsintegration)

Blech 37%

Guss 34%

Profil 29%

Abb. 20


Trend im Karosseriebau – Stahl/Aluminium Mischbauweise

Al-GussAl-ProfilAl-BlechStahl-Blech

Quelle: Timm

Abb. 21


Dr. Goede, Volkswagen AGQuelle: Erbe, Wilde

Aluminiumeinsatz- als Schubfeld beanspruchte Bauteile- Bauteile, bei denen aus fertigungstechnischen Gründen keine Wandstärkenreduzierung für Stahlbleche realisiert werden kann

Austenitischer CrNi-Stahl (H400)- hochbeanspruchte Bauteile mit schwieriger Geometrie- Bauteile mit hoher Energieaufnahme

Beanspruchungsgerechte Materialverteilung

KarosseriewerkstoffeAluminiumEdelstahlHybridStahl, hochfestStahl, höchstfestStahl

Werkstoffkonzept der Struktur im neuen Audi A6 Innovativer Leichtbau durch Mischbauweise

Abb. 22


Entwicklung des Werkstoffeinsatzes im Automobilbau

Quelle: VDI

19751980

19952005

Aluminium

sonstige NE-Metalle

KunststoffeElastomere/Sonstiges

Stahl u. Eisen

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Gewichts-prozent

Abb. 23



Einsatz moderner LeichtbauwerkstoffeTrends und F&E Herausforderungen

Optimierte Stahl-Schalenbauweise

„Body in Black“

Stahl-Spaceframe

FaserverstärkteKunststoffe

Al-Spaceframe

AdvancedLM-Spaceframe

StahlStahl--SchalenbauweiseSchalenbauweise

HybridbauweisenHybridbauweisenMulti MaterialMulti Material

DesignDesign

Abb. 24


Mischbauweise als Treiber bezahlbarer Leichtbau-Konzepte

hoch

Kosten [€] Al-Techn.

(heute)

€/kgLeichtbaukosten

(heute)

FVK(heute)

niedrig

- 60 %

- 20 %

- 40 %

niedrigFahrzeugstrukturgewicht [kg]

Leichtbau-kostensenkung

FVK

optimiert

F&E-Handlungsfelderhoch

Stahl(heute)

Stahloptimiert

LM-Konzepte

optimiert

Multi-Material

Design

Abb. 25



Intergrated Project (FP6th) – SuperLightCar (SLC)Sustainable Production Technologies of Emission Reduced Light weight Car body concepts

Werkstoff- und Fertigungstechnologien

Berechnung & Simulation

Konzeptentwicklung

TP2

2005 2006 2007 2008

Technologie-ScreeningFormgebung

FügetechnikProduktionsplanung

Vorläufige SLC-Konzepte

Hardware AufbauSLC Karosserie

Prototypen

TP1

TP3

2009

Finales SLC-Konzept(∆m: 30%)

1) Stahlintensiv (∆m <20%)

2) Mischbau, wirtschaftlich (∆m 25%)

3) Mischbau, gew.-optimiert (∆m 38%)

< 2,5 €/kg

< 5 €/kg

< 10 €/kg

TP4

Sachbilanz (LCA) Kostenanalyse Virtuelle und physikalische Prüfung

www.superlightcar.com

Abb. 26


Bausteine einer nachhaltigen CO2-Strategie

Film SLC

AufladungDownsizing

Quelle: I/EG

KompetenzfelderCO2-Reduzierung

Abb. 27



Das „Blue-Motion“ Prinzip

Abb. 28


Der Polo „Blue-Motion“

Quelle: Poznanski-Eisenschmidt

Leichtbau-potenzial

in der Struktur(Stahl ⇒ Mischbau)

ca. 80 kg

- 0,25

Abb. 29



Leichtbau ist ein wichtiger Erfolgsfaktor für neue Fahrzeugentwicklungen

Leichtbau unterstützt nachhaltig Strategien zur CO2-Emissionsreduzierung

Erfolgreicher Strukturleichtbau erfordert gezielte Maßnahmenpriorisierung

Entwicklungstrend von heutigen singulären Stahl-, Aluminium und FVK-Bauweisen hin zu Mischbauweisen- und Hybridkonzepten

Neue Leichtbau-Werkstoffe bieten durch höhere Festigkeiten bei gleichzeitig gutem Umformverhalten weiteres Potenzial zur Gewichtsreduzierung

Gewichtsreduzierung in der Großserie ist nur durch kostenattraktive Leichtbaulösungen realisierbar (CO2-Vermeidungskosten-Priorisierung)

Zukünftige CO2-Reduzierungsziele können nur mit ganzheitlichen Weiterentwicklungen für alle Verbrauchsparameter erreicht werden

Schlussfolgerungen

Abb. 30

karosserieleichtbau als baustein einer co2

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