Ultra-leichte Fahrzeugstruktur macht elektrischen Stadtflitzer preiswert und sicher

Im EU-Projekt URBAN-EV ist ein preiswertes und sicheres zweisitziges
Elektromobil mit super leichter Fahrzeugarchitektur entwickelt worden.
Maßgeblich beteiligt war das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF. Die Herausforderung bei der
Fahrzeugentwicklung bestand darin, die hohen geltenden Standards für den
Insassenschutz mit guten Leistungsdaten für den Fahrbetrieb zu vereinen.
Das funktioniert nur mit konsequentem Leichtbau. Zu sehen ist der
Zweisitzer beim Fraunhofer-Festival „TheSoundOfScience“ am 27. Juni 2019
in Darmstadt, in der Centralstation.

Die Herausforderung für die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF bestand
darin, ein durchgängiges Konzept zur Betriebsfestigkeitsbewertung
ausgesuchter Komponenten und Baugruppen zu entwickeln und umzusetzen. »Für
kleine Elektrofahrzeuge sind bislang wenige Bemessungsdaten für eine
Betriebsfestigkeitsbewertung verfügbar. Wenn die Lebensdauerabsicherung
kritischer Fahrzeugkomponenten in den Prozess der Fahrzeugentwicklung
integriert werden soll, ist es deshalb wichtig, die
Betriebsfestigkeitsversuche durch numerische und experimentelle
Spannungsanalysen zu validieren«, erklären Dr. Klaus Lipp, der
Gesamtprojektleiter, und Dr. Thorsten Voigt, der die Bauteilversuche am
Fraunhofer LBF betreute.

Leichte und stabile Rahmenstruktur bringt Sicherheit

Einen wesentlichen Beitrag zur Masseeinsparung in dem Zweisitzer leistet
eine neu entwickelte leichte und stabile Rahmenstruktur. Sie besteht aus
Aluminium-Leichtbauprofilen, die über Knotenteile aus Magnesiumguss
miteinander verbunden sind. Dazu entwickelte der Projektpartner PST in
Alzenau die Electro Magnetic Puls Technology EMPT, ein berührungsloses
Verfahren zum Fügen elektrisch leitfähiger Materialien, weiter. Das
Verfahren hat den Vorteil, dass sich damit, im Gegensatz zum Schweißen,
auch verschiedene Materialien miteinander verbinden und technologische
Nachteile vermeiden lassen, die beispielsweise beim Kleben auftreten. Die
mit dieser Technologie am Fahrzeug gefügten Teile untersuchten die
Darmstädter Forscher auf ihr Festigkeitsverhalten im Fahrbetrieb.

In Voruntersuchungen dieser so genannten Crimp-Verbindungen konnten die
LBF-Wissenschaftler nachweisen, dass diese die im Betrieb auftretenden
zyklischen Beanspruchungen zuverlässig ertragen können. Als hoch
beanspruchte Komponente der Rahmenstruktur mit Crimp-Verbindung unterzog
das Forscherteam den A-Knoten Lebensdaueruntersuchungen unter kombinierter
Biege- und Torsionsbeanspruchung mit konstanten und variablen Amplituden.
Dabei kam ein LBF-eigenes standardisiertes Lastprogramm zum Einsatz. Die
Versuche bestätigten die guten Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen an
den gecrimpten Proben. Abschließend beim Projektpartner Cidaut in Spanien
vorgenommene Crashtests mit dem Elektrofahrzeug bestätigten die
Zuverlässigkeit dieser Verbindungen.

Optimierungspotenzial erkannt

Neben der Rahmenstruktur bezogen die LBF-Wissenschaftler auch die
klappbare Hinterachse des Zweisitzers in die Lebensdaueruntersuchungen
ein. Im Fokus standen dabei der Längslenker der Achse und das Modul einer
Halbachse. »Die Herausforderung aller Betriebsfestigkeitsuntersuchungen
bestand darin, ein durchgängiges Konzept zur Betriebsfestigkeitsbewertung
für die betrachteten Bauteile zu erstellen. Dazu gehört, relevante
Lastrichtungen festzulegen, geeignete Lastdaten bereitzustellen, Maßnahmen
zur Versuchszeitverkürzung abzuleiten sowie eine Lebensdauerabschätzung
vorzunehmen«, so Dr. Voigt.

Aufgrund des Einsatzes korrosionsempfindlicher Leichtbaumaterialien waren
auch Umwelteinflüsse mit zu berücksichtigen. Die Wissenschaftler konnten
zeigen, dass der Längslenker seitlich einwirkende Sonderlasten sicher
ertragen kann. Versuche am Halbachsmodul offenbarten weiteres
Optimierungspotential an der konstruktiven Gestaltung der Baugruppe.

Förderer und Partner des Projektes ist URBAN-EV, www.urban-ev.eu, Funded
by the Seventh Framework Programme.