Facts zum Thema Leichtbaufahrzeuge Automobil - Do

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Technik-Facts Leichtbaufahrzeuge Automobil
LNW Technikfacts, Technikwoche 2010
Mirjam Haldi und Manuela Sommer
Seminargruppe OP Jahrgang 08
Facts zum Thema Leichtbaufahrzeuge Automobil
Informationen zur Förderung des Technikinteresses in der Schulpraxis
Einführung
Leichtbauweise1 ist eine Konstruktionsphilosophie, die maximale Gewichtseinsparung, sowie die
Einsparung von Rohstoffen bei der Herstellung und Nutzung des Produkts zum Ziel hat. Bei Fahrund Flugzeugen ist bei konsequentem Leichtbau eine geringere Antriebsleistung für die gleichen
Fahr-
bzw.
Flugleistungen
notwendig.
Zudem
sinkt
der
Kraftstoffverbrauch
und
das
Gewichtsverhältnis von Transportmittel und Fracht verbessert sich. Somit kann das Gesamtgerät,
die Antriebsquelle und der Kraftstoffvorrat kleiner dimensioniert werden.
Einen besonders hohen Stellenwert hat der Leichtbau in der Raumfahrt. Dort verursacht jedes kg
Nutzlast 30-100 kg Gewicht an Rakete und Treibstoff. Durch die Leichtbauweise können in der
Raumfahrt grosse Einsparungen erzielt werden. Immer wichtiger wird die Leichtbauweise im
Flugzeug- und Fahrzeugbau. Auch im Gebäudebau, vor allem in der Industrie beim Bau von
Produktions-, Montage- und Lagerhallen wird die Leichtbauweise als eine, in diesem Fall,
kostengünstige Alternative geschätzt.
Die Anwendung der Leichtbauweise bei Automobilen bringt einen wirtschaftlichen, sowie einen
ökologischen Profit. Durch die Gewichtsreduktion bei Leichtbaufahrzeugen vermindert sich der
Treibstoffverbrauch pro Kilometer. Somit sind einerseits die Treibstoffkosten tiefer und andererseits
sinken aus demselben Grund die Kohlendioxidemissionen.
Die Herstellung und Verarbeitung der Rohstoffe für die Leichtbauweise bei Automobilen ist zur Zeit
noch sehr personal- und zeitaufwändig. Weder die Sicherheit, noch der Komfort dürfen unter dem
Leichtbau eines Autos leiden. Es darf aber davon ausgegangen werden, dass in den nächsten
Jahren im Leichtbau von Automobilen neue Fertigungsverfahren entwickelt werden, welche
ermöglichen, dass die Produktion eines leichteren Autos nur noch gering mehr kostet.
Geschichte / Bedeutung des Leichtbaus bei Automobilen
Der Leichtbau bei Automobilen begann im Sportwagenbau. Hier ist das so genannte
Leistungsgewicht, das Verhältnis von Fahrzeuggewicht zu Motorleistung, der entscheidende
Faktor. Gewichtsreduzierung und Leichtbau stehen im Vordergrund. Nebst dem Suchen nach
geeigneten Leichtbaukonstruktionsmöglichkeiten (Materialkunde) fördert die Aerodynamik die
1
Wikipedia, 2010: Leichtbauweise
Seite 1
Geschwindigkeit bei gleichzeitiger Verbrauchsreduzierung.
„Es gibt eine Klimaänderung und der Mensch ist schuld daran.“2 So lautet die Aussage des UNKlimaberichtes 2007. Das IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change / der UNO-Klimarat)
veröffentlichte im vierten Wissensstandbericht die fundierte wissenschaftliche Erkenntnis: Der
Grossteil der Klimaänderung seit Mitte des 20. Jahrhunderts ist - mit grösster Wahrscheinlichkeit,
das heisst mit mehr als 90-prozentiger-Sicherheit - durch den anthropogenen Treibhausanstieg
bedingt. Die menschlichen Aktivitäten, an erster Stelle die Verbrennung der fossilen Brennstoffe,
tragen ausschlaggebend zur Erderwärmung bei.“3
Durch die aktuelle CO2-Diskussion, welche durch den UN-Klimabericht 2007 an Intensität
gewonnen hat, rücken Technologien und Werkstoffe, die bislang als zu aufwendig und teuer
geschmäht wurden, in den Fokus. In den letzten Jahren fielen auf dem Genfer Automobilsalon
neben alternativen Antriebskonzepten wie Vollhybridmotoren oder Brennstoffzellen vor allem die
Interpretationen zum Thema Leichtbau auf. Schwere und leistungsstarke Autos geraten mehr und
mehr unter Druck.4
Ansprüche an ein Automobil
Das moderne Automobil hat vielseitige Ansprüche zu erfüllen. Zum einen wird mehr Sicherheit und
Komfort verlangt, zum anderen gilt es heute, Automobile mit möglichst niedrigem Gewicht zu
konstruieren. Höhere Fahrleistung wird gleichzeitig zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch und
weniger Emissionen gewünscht. Einerseits werden Hochwertigkeit und Attraktivität, grössere
Innenräume und möglichst individuell abgestimmte Fahrzeuge gefordert, andererseits sollen
geringere Preise, kompakte Aussenabmasse und Wirtschaftlichkeit angestrebt werden.
Die heutige Forschung und Entwicklung versucht die Ansprüche an die Mobilität und den Komfort,
mit denjenigen der Ökologie und Ökonomie bestmöglich zu vereinen.
Ansprüche an ein Automobil
2
3
4
SF Meteo, 2008: Klimaänderung und Auswirkungen auf die Schweiz
OcCC, 2008: Das Klima ändert - was nun?
Sport-Auto, 2007: Leichtbau, Freud & Light
Seite 2
Herstellung, Produktion
Beim Leichtbau wird bei der Konstruktion des Fahrzeuges Material
mit niedriger Dichte verwendet. Die Dichte kann durch Schäumen
(von Kunststoffen) oder auch Füllen (z.B. durch Glass Bubbles)
gesenkt werden. Weiter kann die Dichte durch eine intelligente
Konstruktion verringert werden. Die Masse des Fahrzeuges wird
auf das Minimum reduziert. Von der Konstruktion bis zur Fertigung
gibt es vier Ansätze des Leichtbaus: der Konzeptleichtbau, der
Formleichtbau, der Stoffleichtbau und der Fertigungsleichtbau.
Beim Konzeptleichtbau werden Fragen nach vorhandenen oder
Aufgeschäumter Kunststoff
zusätzlichen Integrationsmöglichkeiten, der sinnvollen Nutzung des
Bauraums und nach eventuellen Möglichkeiten zur Modulbildung
gestellt. Auch die die zur Verfügung stehenden Technologien
werden betrachtet.
Der Formleichtbau optimiert schliesslich die Geometrie der
gefundenen Lösungen im Hinblick auf die aufgetretenen Lasten.
Im Stoffleichtbau ist eine der Strategien um ein Leichtbauautomobil
Glass Bubbles
herzustellen die so genannte Bionik. Baupläne der Natur werden in
die Technik übertragen. Bäume und Skelette sind Tragewerke,
welche den Gesetzten des ultimativen Leichtbaus folgen. Anhand dieser Vorbilder, werden
technische Strukturen hergestellt, welche Stabilität und geringes Gewicht versprechen. Für
biegebeanspruchte Bauteile kann man Sandwichkonstruktionen verwenden, welche mehrere
Schichten aufweisen, die die Steifigkeit des Bauteils erhöhen.
Im Leichtbau einen wichtigen Begriff ist die „Hybridbauweise“. Diese ermöglicht eine Fertigung
komplexer hochbelastbarer Strukturen und gleichzeitig ein Gewichtsersparnis. In der Technik ist
unter Hybrid ein System gemeint, welches zwei Technologien miteinander kombiniert. Bekannt ist
beim Automobil
der
Hybridantrieb.
„Diese hochinnovative
Lösung
besteht
aus
einem
treibstoffsparenden Benzinmotor, den ein emissionsfreier, aus einer Nickel-Metallhydrid-Batterie
gespeister Elektromotor ergänzt.“5 Dabei werden beide Antriebsquellen durch ein sogenanntes
Antriebsmanagementsystem so gesteuert, dass sie jederzeit gemeinsam die effizienteste
Fahrleistung bringen.
Als ideale Materialien für den Leichtbau gelten Aluminium, Magnesium, hochfester Stahl, Titan und
Faserverbundwerkstoffe wie Glasfasern und Kohlestofffasern. Kohlestofffaserkeramik bzw.
5
Toyota.ch, 2010
Seite 3
Carbon-Keramik werden in Luxus- und Sportautomobilen unter anderem auch bei Bremsbeläge
und Bremsscheiben eingesetzt. Haltbarkeit und Effizienz spielen dabei eine wichtige Rolle. Auch in
der Entwicklung der Raumfahrt hat dieser Werkstoff eine grosse Bedeutung, da er als Ersatz für
keramische Kacheln eingesetzt wird und Landekapseln von Raumschiffe vor der Hitze beim
Wiedereintritt in die Erde schützen.
Die Vorteile von Carbon-Keramik-Bremsbelägen oder
Bremsscheiben sind die hohen und gleichbleibenden
Reibwerte, unabhängig von der Oberflächenfeuchtigkeit
und der Temperatur. Bremsbeläge und Bremsscheiben
halten
mit
einer
Carbon-Keramik-Konstruktion
bei
normaler Fahrweise ein Autoleben lang (also ca. bis zu
300‘000
km).
Zudem
sind
die
Carbon-Keramik-
Carbon-Keramik-Bremse für PKW
Bremsbeläge bis zu 70% leichter als herkömmliche
Bremsscheiben,
was
wiederum
das
Gewicht
des
Fahrwerks verringert. Ein Bespiel eines Autos mit den
neusten Leichtbautechnologien ist der Lamborghini, ein
Supersportauto.
Dank
der
fortschrittlichen
Kohlefasertechnologie erreicht er ein Leergewicht von nur
gerad 999kg6.
Obwohl der Leichtbau nebst dem Motor das grösste
Lamborghini Sesto Elemento
Treibstoffsparpotential bei Autos bietet, und sowohl Wirtschaftlichkeit als
auch
die
Umwelt
profitieren,
gibt
es
an
der
innovativen
Konstruktionsphilosophie Schattenseiten. Leichtbau ist schwierig und durch
den grossen Zeit- und Personalaufwand, der betrieben werden muss, sehr
teuer. „Besonders deutlich wird das an Kohlefaser“, erklärt Manfred
Fitzgerald von Lamborghini7 der Frankfurter Rundschau. Die kostspieligen
Bauteile sind aus dem im Vergleich zu Aluminium bis zu einem Drittel
leichteren
Karbon-Material.
Die
aus
schwarzen
Kohlenstoff-Fäden
gesponnenen Teile sind zudem sehr viel stabiler. „Eine komplette
Karbonstruktur kostet heute in der Herstellung sicher noch so viel wie eine
Mittelklasselimousine.“
(Manfred
Fitzgerald,
Lamborghini
gegenüber
Frankfurter Rundschau). Das ist eine Erklärung, weshalb in der Regel nur
Sonderserien und Supersportwagen aus Kohlefaser hergestellt werden.
6
7
Kohlefaserfaden
(Carbonfaden)
Wikipedia, 2010/ Autotopnews
Frankfurter Rundschau
Seite 4
Bezug zur Umwelt
CO2 schadet unserer Erde: Das Klima erwärmt sich, Stürme werden stärker, der Meeresspiegel
hebt sich. Eine Reduktion des CO2-Ausstosses ist notwendig, soll der Erde nicht noch mehr
Schaden zugefügt werden. Um die CO2-Emissionen zu vermindern, hat man unter anderem im
Strassenverkehr eine Reduktion des Verbrauches von Anzahl Liter Benzin pro 100km zum Ziel
gesetzt. Die Entwicklung von leichteren Fahrzeugen und von neuartigen Antriebssystemen (wie
bspw. Erdgas- oder Biogasantriebe) sind erste Schritte für die Verminderung von CO2-Emissionen
im Strassenverkehr. Schliesslich gilt: Weil durch Leichtbau weniger Masse beschleunigt werden
muss, werden weniger Energieressourcen verbraucht und somit auch weniger Abgase erzeugt.
Einen Personenwagenleichtbau mit 100kg weniger Masse spart ca. 4 dl Benzin auf 100km.
Bezug zur technischen Umwelt der Lernenden
Schülerinnen und Schüler sind auf verschiedene Arten mit der Konstruktionsphilosophie des
Leichtbaus konfrontiert. Ihre Schulrucksäcke sind beispielsweise um einiges leichter und dennoch
meist stabiler, als die ihrer Grosseltern es waren. Um beim Thema Leichtbaufahrzeuge zu bleiben
eignet sich zum Beispiel der Vergleich von modernen und alten Kinderwagen, Spielzeug
(Spielautos) oder Fahrräder.
Pet-Mobil8
Anhand eines selbstgebauten Pet-Mobils wird Leichtbau kombiniert mit Elektro- bzw. Druckantrieb
eigens ausprobiert und umgesetzt.
Pet-Mobile aus der Technikwoche der PH Bern
Verkehrshaus Luzern
Extremer Leichtbau wird anhand des „Pac Car II“ thematisiert:
Der Pac Car II ist ein Kraftfahrzeug, das einen Brennstoffzellen-Antrieb besitzt und einen sehr
niedrigen
Brennstoffverbrauch
aufweist.
Bei
einem
Brennstoffzellen-Antrieb
wird
die
Reaktionsenergie von Sauerstoff und dem Brennstoff „Wasserstoff“ (möglich wäre auch der
Brennstoff „Methanol“) in elektrische Energie umgewandelt. Der Pac Car II wurde von einer
Gruppe Studenten an der ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule) entwickelt. Ihr Ziel
war es, ein Fahrzeug zu entwickeln, das so wenig Treibstoff wie nur möglich verbraucht. Mit
8
Stuber Thomas, Pet-Mobil Unterlagen
Seite 5
diesem Kraftfahrzeug ist ihnen das gelungen. Der Pac Car ist durch seine intelligente Konstruktion
dem geringstmöglichen Luftwiderstand ausgesetzt. Durch spezielle „Radialreifen“ entsteht nur
einen geringen Rollwiderstand. Nicht zu vergessen ist der extreme Leichtbau des Gehäuses, das
aus Kohlefasern besteht und dazu beitrug, dass das Gesamtgewicht des Pac Cars lediglich 29kg
beträgt. Dank diesen Massnahmen fuhr der Pac Car II während des Shell Eco-Marathons 2005
einen Weltrekord im Bereich des niedrigsten Brennstoffverbrauches. Während des Rennens über
20,6 km Distanz verbrauchte er bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 30km/h nur
gerade ein Gramm Wasserstoff, was ungefähr 0,00375 l Benzin entspricht. Diese Leistung wurde
belohnt und so steht heute der Pac Car II im Guiness-Buch der Rekorde.
Pac Car II
Seite 6
Quellen
Frankfurter Rundschau, http://www.fr-online.de/auto/autohersteller-setzen-auf-leichtbau//1472790/4483808/-/index.html, 3.9.2010
Autotopnews, 2010: http://www.autotopnews.de/de/134/no/1/out/detail25488.htm, 8.10.2010
OcCC, 2008: Das Klima ändert - was nun? Der neue UN-Klimabericht (IPCC 2007) und die
wichtigsten Ergebnisse aus Sicht der Schweiz. OcCC - Organe consultatif sur les changements
climatiques, Bern, 47 pp. ISBN: 978-3-907630-33-4
http://proclimweb.scnat.ch/portal/ressources/524.pdf S. 6, 2.8.2010
Dlr, 2010, http://elib.dlr.de/59184/1/ATZ_Vorderwagen_DLR_D.pdf, 8.10.2010
Pulfer Martin (2010) Referat Leichtbau von Fahrzeugen, Bundesamt für Energie, Leiter
Forschungsprogramm Verkehr, Technikwoche, 21. bis 25.6.2010, Campus Muristalden, PH Bern
SF Meteo, 2008: Klimaänderung und Auswirkungen auf die Schweiz,
http://meteo.sf.tv/sfmeteo/wwn.php?id=200809101612, 2.8.2010
Sport-Auto, 2007: Leichtbau, Freud & Light, http://www.sportautoonline.de/testbericht/leichtbau-freud-und-light-1042358.html 2.8.2010
Stuber Thomas Pet-Mobil-Unterlagen, Technikwoche, 21. bis 25.6.2010, Campus Muristalden, PH
Bern
Tambini Michael (1999) Zukunft, Faszinierende Einblicke in das 21. Jahrhundert-von der
Entwicklung der Technik bis zur Veränderung der Umwelt, Gerstenberg Verlag 1999, S. 54
Toyota, 2010,
http://de.toyota.ch/inside_toyota/environment/green_technologies/hybrid_technology.aspx
Verkehrshaus, 2010:
http://sammlung.verkehrshaus.ch/extern/eMuseumPlus?service=direct/1/ResultDetailView/result.ta
b.link&sp=10&sp=Scollection&sp=SfieldValue&sp=0&sp=0&sp=3&sp=SdetailView&sp=0&sp=Sdet
ail&sp=2&sp=F&sp=SdetailBlockKey&sp=0
Seite 7
Wikipedia, 2010:
Leichtbauweise, http://de.wikipedia.org/wiki/Leichtbau, 8.10.2010
Pac Car II, http://de.wikipedia.org/wiki/PAC-Car_II, 8.10.2010
Carbon-Keramik, http://de.wikipedia.org/wiki/Carbon-Keramik, 8.10.2010
Hyprid, http://de.wikipedia.org/wiki/Hybrid, 8.10.2010
3M, 2010, http://solutions.3mdeutschland.de/wps/portal/3M/de_DE/EUAuto/Home/ExploreOur/ProductFamilies/GlassBubbles/, 8.10.2010
Seite 8

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