Elektromobilität

Hybride Leichtbau-Hinterachse für Elektrofahrzeuge

Im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „Epsilon“, das dem Leistungsfeld Leichtbau zugeordnet ist, entwickelte das Fraunhofer LBF eine Hinterachse mit deutlich reduziertem Gewicht. Die Entwicklung zielt besonders auf Anwendungen in der Elektromobilität.

Die im Fraunhofer LBF entwickelte hybride Leichtbauhinterachse reduziert das Achsgewicht im Vergleich zum herkömmlichen Metall-Design um 37 Prozent. (Bilder: Fraunhofer LBF)

Mit ihren Batterien legen Elektrofahrzeuge deutlich an Gewicht zu, was die Hersteller vor zusätzliche Herausforderungen stellt. Leichtbau spielt daher als Lösung eine zunehmend größere Rolle. Karosserie- und Fahrwerksbauteile, die früher aus Metallwerkstoffen hergestellt wurden, werden immer häufiger durch unverstärkte und faserverstärkte Kunststoffteile ersetzt. Ziel des Projekts Epsilon am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF war es daher, 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.

Verglichen mit dem herkömmlichen Metall-Design sei das Achsgewicht um 37 Prozent gesenkt und damit der Energieverbrauch reduziert worden. Darüber hinaus sehen die Forscher bei der Substituierung von Metallbauteilen durch Faserverbundmaterialien die Möglichkeit, mit einer geschickten Auswahl der Faser-Matrix-Eigenschaften die Steifigkeit der Struktur und damit die Fahrdynamik positiv zu beeinflussen.

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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 vereinfache die Gestaltung der Anbindungsstellen an die Fahrzeugstruktur. Zudem können Temperatureinflüsse und lokale Beanspruchungen besser berücksichtigt werden.

Mehrere innovative Lösungen seine in der Leichtbauhinterachse realisiert worden. So nutzten die Wissenschaftler als Verbindungselement zwischen Metall- und Faserverbundbauteil die T-Igel-Verbindung. Dank der formschlüssigen Verbindung können hohe Kräfte und Momente von der Metallbuchse zum CfK-Seitenteil übertragen werden. Dabei gingen die Wissenschaftler einen neuen Weg, das Prinzip der T-Igel-Verbindung beziehungsweise die Pins anzuwenden. Mit der formschlüssigen Verbindung von Pins und Laminat haben sie nach eigenen Angaben die Kerbspannung am Bohrungsrand reduziert. Dadurch ergab sich die Möglichkeit, das Laminat anschließend spanend zu bearbeiten und mit einer Schraubenverbindung zu versehen.

Indem sie den lokalen Lagenaufbau schrittweise optimierten, konnten die Darmstädter 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, wurden die Sicherheitsfaktoren entsprechend hoch angesetzt. Die Forscher versprechen sich von den Fahrtests auch die Möglichkeit, die Geometrie zu optimieren und auf diese Weise das Leichtbaupotential der Leichtbauhinterachse besser ausschöpfen zu können.

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