Berichte aus dem Fahrzeugsystemdesign 2021

Aktuelle Radmodule bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten, die nur eine oder wenige Teilfunktionen erfüllen. Eine aus dem Jahr 2014 stammende Offenlegung behandelt unter der Bezeichnung „Anordnung mit Achsschenkel und Bremssattel“ das Thema einer Funktionsintegration eines Bremssattels in den Achsschenkel. Erfindungsgemäß soll die eine Hälfte eines zweigeteilten Festsattels im Achsschenkel integriert werden, wodurch zwei Fahrwerkkomponenten, die i. A. aus verschiedenen Lieferantenstrukturen mit unterschiedlicher Fertigungstechnik stammen, zumindest z. T. vereinigt werden. Das Verbinden nach konventioneller Art mittels Schraubverbindung am Achsschenkel kann entfallen. Auf diese Weise sollen unter Aufrechterhaltung der Funktionen der beteiligten Komponenten das Systemgewicht verringert, der Montage- und Fertigungsaufwand reduziert sowie Package-Vorteile generiert werden.

Grundlage für die vorliegende Arbeit ist eine erste Betrachtung dieser Idee, die in einem Beitrag zur ATZlive-Tagung „Fahrzeuge von morgen 2019“ diskutiert wurde. Durch weitere konstruktive Anpassungen lassen sich die dort aufgezeigten Vorteile je nach Intention hinsichtlich Gewichtsreduzierung oder erhöhter Steifigkeit im Rahmen einer weiteren Bearbeitung ausbauen, was Ziel der vorliegenden Arbeit ist.

Dazu wird exemplarisch ein CAD-Modell eines integrierten Achsschenkel-Bremssattelverbundes erstellt und mithilfe von FEM-Analysen mit einem konventionellen Modell verglichen. Die Vorteile der gefundenen Lösung und der Nutzen der Funktionsintegration lassen sich so quantifizieren und werden in der abschließenden Auswertung diskutiert. Weiterer Gegenstand der Untersuchungen ist die grundlegende Frage, für welche Achskonstruktionen aktueller Vorder- und Hinterachsen diese Art der Funktionsintegration geeignet ist.

Die inhärente Reibung eines Kraftfahrzeug-Dämpfers hat direkten Einfluss auf dessen Übertragungsverhalten und damit auf die Komforteigenschaften dieser Fahrwerkkomponente. An allen relativ zueinander bewegten Kontaktstellen in hydraulischen Teleskopdämpfern tritt Reibung auf. Da in vielen zukünftigen Fahrzeugen der Antriebsstrang aufgrund teilweiser oder vollständiger Elektrifizierung eine geringere Schwingungsmaskierung bietet, treten fahrwerk- bzw. straßeninduzierte Geräusche und Vibrationen noch deutlicher in den Fokus der NVH-Optimierung. Auf konventionellem Wege erfolgt die Reibungsermittlung an vollständig montierten Dämpfern inklusive Ölfüllung und Gasdruckbeaufschlagung bei mittleren Amplituden um ca. 5–10 mm und sehr geringer Bewegungsgeschwindigkeit, da hierdurch die hydraulischen Dämpfkraftanteile minimiert werden. Durch dieses Messverfahren sind präzise Aussagen zum Reibungsverhalten bei geringen Amplituden (<2 mm) und geringen bis höheren Anregungsfrequenzen (0–100 Hz) kaum möglich. Beispielhafte Schwingungsphänomene mit wenigstens partiellem Fahrwerkbezug in diesem Frequenzbereich sind Achsschwingungen, Dröhnen, Achsrauigkeiten sowie, in Grenzen, das Abrollen (vgl. Fahrwerkhandbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden). Da insbesondere bei sehr kleinen Amplituden und hohen Frequenzen die Annahme naheliegt, dass die Reibung eine dominierende Rolle durch die häufigen Umkehrspiele und die dabei entstehenden Losbrechkräfte einnimmt, sind derartige Anregungsprofile von gesteigertem Interesse für die Charakterisierung der Reibeigenschaften. Bei Amplituden <2 mm und niedrigen Frequenzen bzw. kleinen Bewegungsgeschwindigkeiten kann ferner das Reibungsverhalten im Detail beobachtet werden. Hierbei sind eine eventuelle Hysterese bzw. Verformungen/Kriecheffekte und Haftkräfte von Bedeutung, da durch diese auf das grundsätzliche Verhalten der Reibpartner bei Dämpferbewegungen jeglicher Art und deren Einfluss auf die Reibung und damit das Übertragungsverhalten geschlossen werden kann. Ziel ist infolgedessen die Charakterisierung der Reibeigenschaften ohne den Einfluss der die Reibkräfte geschwindigkeitsabhängig überlagernden hydraulischen Dämpfkräfte bei minimalen Amplituden sowie bei geringen bis höheren Anregungsfrequenzen und damit geringen bis mittleren Bewegungsgeschwindigkeiten.

Zu den am stärksten beanspruchten Teilen eines Fahrzeugs gehören Bremsscheiben. Bei entsprechendem Verschleiß kann eine hohe Umweltbelastung durch Feinstaub entstehen. Ein Trend ist die Minimierung der Korrosions- und Verschleißneigung der Graugussbremsscheibe durch Beschichtungen. Mit dem Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) können erstmals schnell und wirtschaftlich Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten auf Bremsscheiben aufgebracht werden. Durch den Einsatz entsprechender Beschichtungsmaterialien sollen die Bremsstaubemissionen um bis zu 50 % reduziert werden, um den aktuellen Bestrebungen der Regulierung von Non-Exhaust-Emissions zu folgen. Neben Beschichtungen im Metall-Matrix-Verbund mit eingebetteten keramischen Hartstoffen (1.4404 mit WC, TiC) werden mittels EHLA auch hartstofffreie Beschichtungswerkstoffe (1.4404, X445CrMoSiMnV, X15CrNiMo) aufgetragen.

Die Betrachtung der gesamten Fahrzeugakustik ist innerhalb des Fahrzeugentstehungsprozesses ein wichtiger Schritt zur Sicherstellung, dass störende Geräusche und Schwingungen den Fahrkomfort nicht beeinträchtigen. Ein Großteil der Schwingungen und Geräusche, die während eines Bremsereignisses auftreten, können, auch mit Blick auf die fortschreitende Elektrifizierung des Antriebes, nicht mehr durch das Motorgeräusch überdeckt werden. Um zu gewährleisten, dass die mit dem neuartigen EHLA-Verfahren beschichteten Bremsscheiben keine den Fahrkomfort einschränkenden Geräusche verursachen, müssen die Bremsscheiben hinsichtlich ihrer Eigenfrequenzen und ihres Dämpfungsverhaltens untersucht und validiert werden.

Beschichtete Bremsscheiben erlangen im derzeitigen automobilen Umfeld eine immer größere Bedeutung. Neben der Markteinführung der iDisc von Buderus [1] arbeiten OEMs, Zulieferer und Forschungsinstitute an unterschiedlichen technischen Lösungen für beschichtete Bremsscheiben. Zu den Vorteilen gegenüber konventionellen Graugussbremsscheiben zählen insbesondere die Korrosionsbeständigkeit der Reibflächen, die i. d. R. geringere Bremsstaubemission und die wesentlich längere Lebensdauer der Scheibe. Eine große Herausforderung besteht darin, Rissbildungen und daraus resultierende Delamination der Beschichtung bei thermischer und mechanischer Last zu vermeiden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Grundkörper und Beschichtung wird sich bei thermischer Last eine Spannungsverteilung in der Bremsscheibe einstellen. Diese Verteilung zu simulieren und zu bewerten ist Ziel dieses Artikels.

Im Ersten Schritt werden die Parameter der Simulationen festgelegt. Dazu zählen die Abmessungen der Bremsscheiben, Schichtdicken, und Materialkombinationen. Anschließend werden verschiedene Lastfälle erstellt und die Simulationen durchgeführt. Im letzten Schritt erfolgt die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse.

Im Hauptergebnis wird die Spannungsverteilung in der Bremsscheibe unter thermischer Last dargestellt. Dies wird für verschiedene Schichtdicken und Materialien beschrieben. Es soll ebenfalls eine Bewertung vorgenommen werden, in wie fern sich der eingestellte Spannungszustand als kritisch für die Funktion der Bremsscheibe erweist.

Für die Simulationen wird die Bremsscheibengeometrie als ideal angenommen. Eine Schwierigkeit besteht darin, die Anbindung von der Beschichtung zum Grundkörper korrekt zu modellieren. Hier werden Vereinfachungen getroffen werden müssen. Des Weiteren unterliegen FEM-Simulationen einer gewissen numerischen Ungenauigkeit.

In Kraftfahrzeugen finden vermehrt Materialien Verwendung, welche eingesetzt werden, um sensible Fahrzeugkomponenten gegen thermische Überlastung zu schützen. Geschützt werden beispielsweise empfindliche Sensorik und Aktorik in Hochtemperaturbereichen des Fahrzeugs, wie im Bereich der Radbremse oder der Turboaufladung. In den Prozessen der Entwicklung und Freigabe dieser Bauteile sieht sich die Automobilindustrie damit konfrontiert, dass es keine einheitlichen Standards zur Erprobung und Bewertung von Hitzeschutzmaterialien gibt.

Materialprüfungen werden in Anlehnung an die SAE J2302 durchgeführt. In der Anwendung zeigt sich, dass diese Norm nicht hinreichend geeignet ist, um die thermischen Schutzwirkung von Materialien zu beschreiben. Ursache ist, dass die Norm auf den Schutz vor Strahlungswärme ausgerichtet ist. Konvektion und Wärmeleitung werden nicht berücksichtigt. Für die Entwicklung ergibt sich daraus die Notwendigkeit wiederholter Temperaturmessungen im Fahrzeug, was erhebliche Nachteile hinsichtlich Kosten und Projektablauf mit sich bringt.

Ziel der Neuentwicklung ist die Festlegung einer thermischen Bauteilerprobung, um nachträgliche Prüfungen im Fahrzeug zu vermeiden. Nach umfangreicher Analyse der bestehenden Freigabeprozesse werden neben der Wirkung von Strahlungswärme zukünftig auch die Einflüsse der Konvektion und Wärmeleitung berücksichtigt und es wird besonderer Wert auf die robuste Reproduzierbarkeit der Messwerte gelegt. Die zweistündige Materialprüfung referenziert auf sieben thermisch relevante Fahrzeugbetriebszustände und liefert eine hochauflösende Zeit-Temperatur-Kennlinie. Der geschlossene Prüfaufbau bildet in seiner Dimensionierung von 267 × 365 × 365 [mm] fahrzeugtypische Bauraumverhältnisse nach und erlaubt mit 1,8 kW Heizleistung die erforderliche Dynamik des Temperaturverlaufs.

Im Umfeld immer kürzerer Modellzyklen und ambitionierter Entwicklungsziele eröffnet das neue Prüfverfahren für Hitzeschutzkomponenten Potenzial für schlankere Entwicklungsabläufe in der Automobilindustrie. Der neu entwickelte Prüfaufbau erlaubt mit dem zugehörigen Ablaufplan eine gezielte Materialauswahl bereits in der frühen Phase der Fahrzeugentwicklung und die Bewertung der Hitzeschutzwirkung unabhängig von Messungen im Fahrzeug. Vor dem Hintergrund der vollständigen Digitalisierung der Fahrzeugentwicklung wird die hochauflösende Erfassung dieser Materialeigenschaften zukünftig als Grundlage für umfassende Temperatursimulationen dienen.