Kunststoffe im Fahrzeugbau

Schichtarbeit: Querlenker aus FVK integriert mehrere Funktionen

Ein Drittel leichter und mit einigen integrierten Zusatzfunktionen versehen – ein neuer Querlenker aus Faserverbundwerkstoff soll zudem für erhöhten Fahrkomfort sorgen.

ototyp des Faserverbund-Querlenkers für einen Mittelklasse-PKW. (Quelle: Fraunhofer LBF)

Das neuartige Leichtbauteil aus Kohlenstofffaser wiegt laut dem an der Entwicklung beteiligten Fraunhofer LBF 35 Prozent weniger als ein vergleichbares aus Stahl. Darüber hinaus planen die Wissenschaftler, Funktionen in den Querlenker zu integrieren, damit dieser eine höhere Schadenstoleranz und gesteigerten Komfort im Gebrauch aufweist. Umgesetzt wird dies mit Structural Health Monitoring Systemen (SHM) und semi-aktiven Systemen, um die Übertragung von Körperschall mindern. Auszulegen und Fertigung wurden in sechs Monaten absolviert.

Eine Herausforderung war es, die Faserverbundbauteile fit für die Serienfertigung zu machen. Das Ergebnis: Für große und flächige Bauteile eignen sich besonders Organobleche mit thermoplastischer Matrix, die – umspritzt in einem Werkzeug – die Bauteilgeometrie erzeugen. Auf Basis duroplastischer Matrixsysteme besteht die Möglichkeit das Resin Transfer Moulding-Verfahren (RTM) zu nutzen.

Spannungensdarstellung am Querlenker beim Lastfall „Bremsen Linkskurve“. (Quelle: Fraunhofer LBF)

Die mechanische Auslegung beruht auf Lastkollektiven, die an einem Messrad in einem Fahrzyklus ermittelt wurden. Die Kollektivwerte wurden in Lasten umgerechnet, die an dem jeweiligen Bauteil angreifen. Aus Fahrmanöverabschätzungen wurden kritische Fahrmanöver abgeleitet, die als Lastannahme dienten. Die unterschiedlichen Fahrmanöver rufen in den höchst beanspruchten Bereichen komplexe mehraxiale Beanspruchungszustände hervor, die es für die betriebssichere Auslegung zu bewerten galt.

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Experimentelle Untersuchungen an den zu verwendenden Materialien bildeten die Grundlage für die Erstellung von Materialmodellen zur Abschätzung der Lebensdauer. Rechnerisch identifizierten die Entwickler lasttragende Bereiche, die lokale Faserverstärkungen erfordern. Um die lokale Faserverstärkung zu stützen, müssen Gewebeschichten in den Schichtaufbau eingebracht werden. Dieser Schichtaufbau wurde numerisch bezüglich der lokalen Faserorientierung optimiert, damit auch diese Gewebelagen entsprechend ihrer Beanspruchung optimal ausgelastet sind.

Hohe Lasten, wie sie bei Unfällen oder Überladung auf schlechten Wegstrecken möglich sind, können die Struktur schädigen und die Lebensdauer verkürzen. Mit Hilfe eines Structural Health Monitoring Systems, das aus faseroptischen Sensoren und einem Lichtleiterkabel besteht, können diese Bereiche online überwacht werden. Entsteht ein Riss und wächst der Schaden, erhöhen sich in diesen Bereichen die Verformungen, die von den faseroptischen Sensoren erfasst werden. Beim Überschreiten eines zuvor festgelegten Schwellwertes bekommt der Fahrer eine entsprechende Warnmeldung angezeigt.

Dynamisch belastete Leichtbaustrukturen neigen zu Schwingungen, die üblicherweise zum Beispiel mit Tilgern gedämpft werden. Der Nachteil: zusätzliche Massen und entsprechender Bauraum. Die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF integrierten die Schwingungsdämpfung durch piezoelektrische Wandler, die mit passiven Bauelementen beschaltet werden. Dabei wirkt eine induktive Beschaltung zusammen mit der Kapazität des Wandlers als Schwingkreis und kann so einen mechanischen Tilger ersetzen. Um eine möglichst hohe Effektivität zu erreichen, übernahmen die LBF-Forscher die Auslegung dieses semi-aktiven Systems in den Entwicklungsprozess des Faserverbundbauteils. Somit können sie Bauteile herstellen, die gleichzeitig eine geringe Masse und gute Dämpfungseigenschaften aufweisen.

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