Leichte Achse

Automobiler Leichtbau

Weniger Gewicht für Elektrofahrzeuge: Fraunhofer LBF entwickelt hybride Leichtbauhinterachse.

Elektromobilität ist wegen der schweren Batterien ohne Leichtbau nicht denkbar. Die Gewichtseinsparung steht daher weit oben auf der Agenda der Entwickler von Elektrofahrzeugen. Einen großen Schritt in diese Richtung hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF getan. Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „Epsilon“ entwickelte das LBF eine Hinterachse mit deutlich reduziertem Gewicht.

FEM-Berechnung der Spannungsverteilung Foto: Fraunhofer LBF
FEM-Berechnung der Spannungsverteilung Foto: Fraunhofer LBF

Ziel des Projekts war es, eine umfangreiche Studie über das Leichtbaupotenzial von Vorder- und Hinterachsen anzulegen. Die Aufgabe löste das Institut mithilfe der Verbundbauweise und des Einsatzes faserverstärkter Kunststoffe. Zum Projekt gehörten alle Stufen der Entwicklung, von der Definition von Anforderungen über das Design, numerische Berechnungen und Prototypenfertigung bis zur Prüfung.

37 Prozent weniger Gewicht

Durch eine geschickte Optimierung der Hinterachsengeometrie ist es den Ingenieuren gelungen, an der CFK-Hinter­achse die gleiche Struktursteifigkeit wie an der konventionellen Hinterachse aus Metall abzubilden. Im Laufe des Projekts berechneten die LBF-Forscher die Hinterachse mit der Finite-Elemente-Methode in mehreren Schritten. Ergebnis war ein Entwurf, der aus zwei metallischen Seitenteilen und einem Mittelteil aus Faser-Kunststoff-Verbund besteht. Diese Hybridbauweise vereinfacht die Gestaltung der Anbindungsstellen an die Fahrzeugstruktur. Zudem können Temperatureinflüsse und lokale Beanspruchungen besser berücksichtigt werden. Der Aufwand hat sich gelohnt: Die LBF-Wissenschaftler konnten das Gesamtgewicht der Hinterachse durch das FKV-Mittelteil um rund 37 % reduzieren.

Mehrere neue Lösungen kennzeichnen die hybride Leichtbauhinterachse. So nutzten die Wissenschaftler als Verbindungselement zwischen Metall- und Faserverbundbauteil die sogenannte T-Igel-Verbindung. Bei dieser Verbindung wird entsprechend der Lastverteilung im Bauteil eine regelmäßige, dichte Struktur von hochfesten Pins auf den metallischen Grundkörper aufgebracht. Diese regelmäßige Pinstruktur wird dann bei der Herstellung des Faserverbundbauteils im Faserverbund integriert.

Dank der formschlüssigen Verbindung hat T-Igel den Vorteil, durch die Pins sehr hohe Kräfte und Momente von der Metallbuchse zum CFK-Seitenteil zu übertragen. Dabei gingen die LBF-Wissenschaftler einen neuen Weg, das Prinzip der T-Igel-Verbindung beziehungsweise die Pins anzuwenden. Mit der formschlüssigen Verbindung von Pins und Laminat konnten sie die Kerbspannung am Bohrungsrand reduzieren. Dadurch ergab sich die Möglichkeit, das Laminat anschließend spanend zu bearbeiten und mit einer Schraubenverbindung zu versehen.

T-Igel verbindet Metall und Faserverbund formschlüssig. Foto: Teufelberger
T-Igel verbindet Metall und Faserverbund formschlüssig. Foto: Teufelberger

Indem sie den lokalen Lagenaufbau schrittweise optimierten, konnten die Forscher die neue Leichtbauhinterachse auf die mehraxiale Belastung aus dem Fahrbetrieb anpassen. Ausgehend von der T-Igel-Verbindung wurde eine kerbspannungsarme, formschlüssige Metall- und Faserverbundverbindung abgeleitet.

Die Leichtbauhinterachse für Elektrofahrzeuge soll auch im Fahrversuch geprüft werden. Daher standen bei der Auslegung ihre Sicherheit und Einsatztauglichkeit sowie die Eignung für eine mögliche Serienfertigung im Fokus. Weil Vergleichswerte von ähnlichen Hinterachsen fehlen, mussten die Sicherheitsfaktoren entsprechend hoch angesetzt werden. Die Forscher versprechen sich von den Fahrtests auch die Möglichkeit, die Geometrie noch weiter zu optimieren und auf diese Weise das Leichtbau­potenzial der Leichtbauhinterachse noch besser ausschöpfen zu können.

Paul Becker