Von Dipl.-Ing. Laurent Mas und Dipl.-Ing. Thorsten Angerer, Bertrandt
Heutige Automobile vereinen Ästhetik, Funktionalität, Innovation und Emotion – und müssen vor allem immer umweltbewusster konzeptioniert werden. Bertrandt Köln arbeitet an ersten Entwürfen zum elektrischen Auto der Zukunft und zeigt auf, wo die Reise hingehen könnte.
>> Elektromobilität gefragt
Automobile stehen nach wie vor als Symbol für Freiheit und Ungebundenheit. Mit ein Grund, warum E-Fahrzeuge derzeit beim Endkonsumenten aufgrund der recht geringen Reichweite und der noch hohen Kosten wenig nachgefragt werden. An dieser Stelle kommt für Fahrzeugentwickler die Balance zwischen Gewicht und Energie zum Tragen: Technologiespezialist Bertrandt hat sich Anfang 2010 Gedanken zum Thema Leichtbau und seiner unmittelbaren Auswirkung auf die Elektromobilität gemacht – das Projekt „CityCar“ wurde geboren.
>> Gewichts- und Energiebilanz analysieren
Die größte Herausforderung ist der Energiespeicher. Diese Fragestellung wird sich voraussichtlich in den nächsten zehn bis 15 Jahren nicht revolutionär, sondern eher evolutionär lösen. Schnell umzusetzende Optimierungen sind nur begrenzt möglich. Laut Studien sind rund zehn Prozent der deutschen Bevölkerung bereit, sich für ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug zu entscheiden. Voraussetzung hierfür: eine Verlängerung der Reichweite. Dies kann über eine extreme Gewichtsreduzierung des Gesamtfahrzeugs im Zusammenspiel mit verbesserten Energiespeichern realisiert werden. Die Bertrandt-Ingenieure haben also die Gesamtmasse mehrerer Fahrzeuge näher betrachtet. Es wurde schnell klar, dass nicht die Rohkarosse den größten Anteil einnimmt, sondern vielmehr andere Zusammenbauten. Ein modernes Auto besteht schließlich aus mehr als 10.000 Einzelteilen. Wie kommt es zu solch hohen Fahrzeuggewichten? Die Sicherheits- und Komfor tausstat tungen moderner Pkw wiegen beispielsweise schwer. Obwohl der Trend zum „Downsizing“ geht, bringen Autos ein immer höheres Gewicht auf die Waage. Schon in der Grundausstattung besitzen aktuelle Fahrzeuge diverse Servound Verstell-Motoren, die zusätzliches Gewicht bedeuten. Die Fensterkurbel wurde beispielsweise durch einen einfachen Schalter ersetzt und eine Klimaanlage gehört heute beinahe überall zur Serienausstattung. Inklusive der dazugehörigen Elektronik bedeutet das ein zusätzliches Gewicht von bis zu 40 kg.
>> Wichtigster Faktor: Gewicht einsparen
Die Kölner Bertrandt-Ingenieure definierten neue Maßstäbe für das Auto der Zukunft. Wenn der Autofahrer nicht mobil eingeschränkt sein möchte, wird jedes zusätzliche Kilogramm schnell zum Nachteil, da die Reichweite der Fahrzeug je Akkuladung verringert wird. Bertrandt hat sich ein Auto vorgestellt, das kompromisslos auf viele Ausstattungsdetails verzichtet, aber keinesfalls Einschränkungen bei der Insassen-Sicherheit zulässt. Folgende Aspekte wurden dabei beachtet: Es sollte ein Auto für eine Stadt der Zukunft entwickelt werden. Außerdem sollte es mit hochintelligenten Elektroniksystemen ausgestattet sein und mit der Umwelt kommunizieren. Der Fokus lag zudem auf dem zukünftigen Layout der Karosseriestruktur von Elektromobilen. Denkbar sind Fahrzeuge ohne Motorraum, was entweder durch den Einsatz von Radnabenmotoren oder platzsparender Achsantriebe realisiert werden kann. Damit lassen sich völlig neue Innenraumkonzepte umsetzen. Die Spaceframe-Struktur wiederum bietet eine vorteilhafte Kombination aus Wirtschaftlichkeit bei Kleinserien, hoher Skalierbarkeit und Modularität, einfacher Produktionsfähigkeit und sehr hohem Leichtbaupotenzial. Bei dieser Strukturbauweise kann aluminium- und kohlenstoffverstärkter Kunststoff angesetzt werden, der ein sehr hohes Potenzial bei der Gewichtseinsparung birgt. Die Kombination dieser beiden Ansätze bedient den Anspruch der Ingenieure an extremen Leichtbau in idealer Weise. Die zweite Prämisse für das Stadtfahrzeugkonzept: Fahrerassistenzsysteme, die heute bereits Unfälle vermeiden und als Überwachungssysteme dienen, werden in Zukunft noch zuverlässiger und eine 100-prozentige Funktionalität anbieten. Dies würde den Ingenieuren die Freiheit geben, die Karosseriestruktur nur noch als tragendes Element eines Fahrzeugs entwerfen zu können und so die angestrebte Gewichtseinsparung zu verwirklichen.
>> Neue Ansätze: Strukturlayout
Im Spannungsfeld zwischen Design und Lastenheft wurde die erste Aufgabe angegangen – die Suche nach einem geeigneten Strukturlayout. Als Material für den Spaceframe wurde Aluminium ausgewählt. Die vorerst einfachen Extrusionsprofile aus HS-Aluminium-Legierung werden mit dem noch sehr jungen, aber überaus innovativen 3-D-Strangpressprofil- Verfahren hergestellt. Die Profile aus hochfesten Aluminium- Legierungen werden mittels MIG-Schweißen gefügt. Schon beim Layout orientierte sich Bertrandt an dem zur Verfügung stehenden Bauraum, denn Fahrwerk, Antriebssystem, Energiespeicher und Leistungselektronik waren konzeptionell bereits vorhanden. Bei der anschließenden simulationstechnischen Statusbeurteilung der Spaceframe- Struktur wurden Schwachstellen durch Topologie-Optimierungen beseitigt, sodass die Steifigkeit um 15 Prozent erhöht und gleichzeitig das Gewicht um 23 Prozent reduziert werden konnte. Bei der Überarbeitung und Optimierung wurden auch Hybridbauteile eingesetzt, die einen Gewichtsvorteil bei gleicher Performance generieren. Gerade die lokalen Steifigkeiten der Abstützpunkte des Fahrwerks konnten erfolgreich verbessert werden, woraus eine erhebliche Gesamtverbesserung resultiert. Auch das zunehmend wichtige Thema „High-Performance-Faserverbundkunststoffe“ hatten die Bertrandt-Ingenieure auf der Agenda. Durch die Verwendung von gewobenen Profilen aus Kohlefaser konnte das Spaceframe-Layout bestehen bleiben und die Profile zunächst auf ihre Belastungsrichtung hin optimiert werden. Besonderes Augenmerk lag bei diesem Material auf der Verbindung der Profile, denn eine thermische Verbindungstechnik wie bei Stahl oder Aluminium gibt es nicht. Hier bildeten die Ingenieure Knoten als Steckverbinder aus und kombinierten sie mit Schrauben und/oder durch Kleben. Auf dieser Basis konnte die Steifigkeit der Aluminiumlösung um mehr als 100 Prozent verbessert werden – noch zulasten des Strukturgewichts, das sich um 36 Prozent erhöhte. Grund dafür waren die oben genannten, rund 40 Knotenverbindungen.
>> Ausblick: Es geht noch leichter
Bei der Optimierung des Layouts aus Faserverbundmaterialien verzichtet Bertrandt im nächsten Schritt auf die Verwendung von Schraubverbindungen und konzentriert sich ausschließlich auf die Klebetechnik. Zusätzlich werden einzeln identifizierte Aluminiumgussknoten durch kohlefaserverstärkte Kunststoffe ersetzt. Diese können sowohl aus laminierten Schalen aufgebaut, als auch in Spritzgusstechnik aus innovativem Kunststoff gefertigt werden. Dieser ist um die Hälfte leichter als Aluminium, gleichzeitig besitzt er aber eine deutlich höhere Steifigkeit und erlaubt komplexe und steife Knoten-Geometrien. Das Projekt CityCar ist kontinuierlich in der Entwicklungsphase. Der aktuelle Trend, Nischen im weltweiten Fahrzeugangebot zu besetzen, bietet Zielgruppen mit differierenden Mobilitäsbedürfnissen in Zukunft ganz neue Fahrzeugkonzepte. Entwicklungsdienstleistern wie Bertrandt bieten sich damit Chancen, über neue Ansätze nachzudenken und innovative Ideen in der Entwicklung zum Einsatz zu bringen.