ZF Friedrichshafen Leichte Automobile

Autor / Redakteur: Jürgen Goroncy / Claus-Peter Köth

Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Gleichzeitig haben Wirtschaftlichkeit, Dynamik, Sicherheit und Komfort höchste Priorität bei der Entwicklung neuer Produkte und Verfahren. Um dies zu erreichen, verfolgt ZF mehrere, einander ergänzende Ansätze.

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Der ZF-Innovationsträger mit elektrischem Achsantrieb (1), Wechselrichter (2), Hybrid-Stabilisatoranbindung (3), Federbein-Radträgermodul (4), Verbundlenker-Hinterachse mit Leichtbau-Stabilisator (5), Leichtbau-Dämpfer (6) sowie Drehschalter (7) als Bedieneinheit im Cockpit.
Der ZF-Innovationsträger mit elektrischem Achsantrieb (1), Wechselrichter (2), Hybrid-Stabilisatoranbindung (3), Federbein-Radträgermodul (4), Verbundlenker-Hinterachse mit Leichtbau-Stabilisator (5), Leichtbau-Dämpfer (6) sowie Drehschalter (7) als Bedieneinheit im Cockpit.
(Grafik: ZF)

Gewichtseinsparungen im Pkw sind nicht nur ein Thema für Fahrzeuge mit einem elektrifizierten Antriebsstrang, die auf diese Weise an Reichweite und somit an Akzeptanz gewinnen. Weniger Kilogramm an Bord wirken sich auf alle Automobile positiv aus – auch auf konventionell motorisierte Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor. So reduzieren 100 Kilogramm weniger Fahrzeuggewicht den Kraftstoffverbrauch um 0,3 Liter auf 100 Kilometern, das entspricht etwa 7,5 Gramm CO2 pro Kilometer. Die folgenden Trends verdeutlichen die zentrale Rolle des Leichtbaus für die Mobilität der Zukunft:

  • Durch sicherheits- und komfortrelevante Zusatzausstattungen ist das Gewicht der Automobile in den vergangenen Jahren stetig gestiegen.
  • Außerdem verschärfen die Gesetzgeber international drastisch die Grenzwerte für den CO2-Ausstoß. Zu deren Einhaltung trägt u. a. eine geringere Masse bei.
  • Darüber hinaus führen geringere ungefederte Massen am Fahrzeug zu erhöhter Sicherheit, mehr Komfort sowie zu höherer Fahrdynamik.

Diverse Methoden in einem Produkt

Für die ZF Friedrichshafen AG bedeutet das, zum Beispiel in der Fahrwerktechnik unterschiedliche Maßnahmen und Methoden zur Gewichtsoptimierung in jeweils einem Produkt zu bündeln. Eine wichtige Rolle spielen dabei die verwendeten Materialien beziehungsweise der richtige Materialmix. Neben Aluminium und Stahl setzt ZF dabei immer stärker auch auf Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV). Bei der Konstruktion mit diesem Material müssen die Ingenieure neue Wege einschlagen, um die Fasereigenschaften optimal auszunutzen und die Faserausrichtung den entsprechenden Beanspruchungen anzupassen. Die fertigungsgerechte Bauteilkonstruktion in Kombination mit Funktionsintegration und Strukturoptimierung spart wiederum Material und entsprechend Gewicht, was sie zu einem weiteren wichtigen Leichtbauansatz macht.

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Fertigungsgerechte Bauteilgestaltung

Bei der Funktionsintegration werden mehrere Bauteile bzw. Bauteilfunktionen zu einem einzigen zusammengefasst. Strukturoptimierung, Funktionsintegration und fertigungsgerechte Bauteilgestaltung sind zentrale Ansätze für einen ressourcenschonenden Einsatz der Materialien. Auf der Suche nach weniger Gewicht schauen die OEMs heute auf jedes Detail. Selbst vergleichsweise geringe Einsparungen einzelner Komponenten sind willkommen, denn aufsummiert über das ganze Fahrzeug ergeben sie teils deutliche Gewichtsreduktionen. Zu den bereits serienreifen ZF-Leichtbaukomponenten zählt SMiCA (Sheet Metal integrated Control Arm). Dieser Querlenker kommt ohne Nieten oder Schraubverbindungen aus. Das macht ihn um bis zu 23 Prozent leichter als herkömmliche Blechlenker. Außerdem benötigt er weniger Bauraum und erlaubt größere Gestaltungsfreiheiten bei der Fahrwerksauslegung.

Leichtbau-Bremspedal nur halb so schwer

Mit dem Serienstart eines aus Organoblech und Spritzguss gefertigten Leichtbau-Bremspedals verdeutlicht ZF, wie sich ohne Einbußen bei der Belastbarkeit etwa 50 Prozent Gewicht im Vergleich zu einem Standard-Bremspedal aus Stahl einsparen lassen. Organobleche sind endlosfaserverstärkte, thermoplastische Kunststoffe, die sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit auszeichnen. Der Fertigungsprozess ist eine Kombination aus Thermoformen und Spritzguss. Damit lässt sich das Pedal zudem einfacher, das heißt in weniger Prozessschritten, herstellen als konventionelle Pedale aus Stahl. Gleichzeitig ist das eingesetzte Material voll recyclingfähig. Kein Wunder, dass das Organoblech-Hybrid-Bremspedal den „Composite Innovations Award“ der CFK Valley Stade Convention gewann.

Querblattfeder aus glasfaserverstärktem Kunststoff

Die Entwicklung einer Pkw-Hinterachse mit radführender Querblattfeder aus glasfaserverstärktem Kunststoff belegt die Kompetenz von ZF, auch komplette Achssysteme aus leichteren Werkstoffen zu fertigen. Die Gewichtsersparnis von bis zu 15 Prozent im Vergleich zu einer Hinterachse in konventioneller Stahlbauweise ist dabei nicht der einzige Pluspunkt: Im Gegensatz zum komplexen Mehrlenkerkonzept übernimmt ein einziges Bauteil – nämlich die Querblattfeder – sowohl die Radführung als auch die Hub- und Wankfederung. Durch diese Bauteilintegration sinkt die Komplexität der Achse, ihr Einbau ist für Automobilhersteller weniger aufwendig und spart zusätzlich noch Bauraum. Weniger Bauteile bedeuten zudem noch weniger Gewicht.

Hauseigenes Composites Tech Center

Um unter anderem die Serienherstellung dieser Konzepte zu ermöglichen, hat ZF am Standort Schweinfurt Mitte 2013 das ZF Composites Tech Center eröffnet. Dort werden gezielt Prozesstechnologien für die Serienfertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoffen entwickelt und somit die Voraussetzung für die Serienreife vieler Leichtbaukonzepte geschaffen. Ein Leichtbau-Dämpfer mit einem Aluminium-Behälterrohr wird bereits seit einigen Jahren in Serie gefertigt. Seriennah hingegen sind der Leichtbau-Dämpfer von ZF in Alu-Leichtbauweise und ein Federbein in Stahl-Leichtbauweise. Mit dem Alu-Leichtbau-Dämpfer für die Hinterachse sind bis zu 25 Prozent weniger Gewicht realisierbar. Es handelt sich dabei um einen Einrohrdämpfer in Alu-Kunststoff-Hybridbauweise.

Beim Stahl-Leichtbau-Federbein für die Vorderachse werden ein Hybrid-Federteller aus Stahl-Kunststoff und eine hohle Kolbenstange sowie Behälterrohre mit variablen Wandstärken eingesetzt. Das Material ist dort verstärkt, wo es funktional erforderlich ist, die anderen Bereiche des Behälterrohrs sind möglichst dünn ausgelegt. Es ergibt sich eine Gewichtseinsparung von bis zu 20 Prozent. Sowohl beim Alu-Leichtbau-Dämpfer als auch beim Stahl-Leichtbau-Federbein wird die Gewichtseinsparung erst durch innovative Fügetechniken möglich, die hier erfolgreich zum Einsatz kommen.

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Innovationsträger auf Kleinwagenbasis

Die Leichtbaukompetenz von ZF hört aber nicht bei den heute schon serienfähigen und -nahen Produkten auf. Mit zahlreichen Konzepten intensiviert ZF das künftige Abspecken im Pkw-Fahrwerk. Welches Potenzial insbesondere die Kombination von Elektromobilität mit Leichtbau-Ansätzen hat, zeigt ZF am Beispiel eines Innovationsträgers auf Kleinwagenbasis. In ihm ergänzen Leichtbau-Fahrwerkkomponenten den elektrischen Achsantrieb inklusive Wechselrichter und erhöhen so die Reichweite und die Fahrdynamik des E-Autos. Der Elektroantrieb des Innovationsträgers ist auf künftige Anforderungen im urbanen Verkehr zugeschnitten – das zentral auf der Achse positionierte Antriebsmodul bietet 90 Kilowatt mechanische Leistung und hohe Drehmomente schon bei niedrigen Drehzahlen. Das elektrische Achsmodul kann als effizienter Antrieb für rein elektrische Klein- und Kompaktwagen oder als elektrische Hinterachse in einem Achshybrid eingesetzt werden.

40 Prozent leichteres Radträgermodul

Im ZF-Innovationsträger wurden die Leichtbaumaßnahmen im Fahrwerk optimal an die spezifischen Anforderungen der Elektromobilität angepasst: Die Gewichtseinsparung trägt direkt dazu bei, die Reichweite oder die Zuladung von elektrisch angetriebenen Pkw zu erhöhen. Gewichtseinsparungen und die Reduktion ungefederter Massen bieten aber auch konventionell motorisierten Fahrzeugen Vorteile, weil sie Verbrauchseinsparung möglich machen und die Fahrdynamik erhöhen. An der Vorderachse übernimmt ein Leichtbau-Federbein-Radträgermodul aus Faser-Kunststoff-Verbund Dämpfung und Radführung. Innovatives FKV-Design sorgt dabei für eine glatte Oberfläche. Die Gewichtseinsparung ist enorm: Im Vergleich zur Standardausführung aus Stahl sind es bis zu 40 Prozent. Ebenfalls an der Vorderachse des Innovationsträgers ersetzt eine Stabilisatoranbindung in Hybridbauweise das konventionelle Bauteil aus Stahl. Zur Gewichtseinsparung von bis zu 16 Prozent trägt ZF hier durch den kombinierten Einsatz von Kohlefaser, spritzgegossenem Polyamid und hochfestem Stahl bei.

Weniger Gewicht, höhere Variabilität

Mit einer neuartigen Verbundlenker-Hinterachse reduzieren die ZF-Ingenieure im Innovationsträger nicht nur Gewicht, sie steigern damit auch die Variabilität. Denn dank eines Stabilisator-Wechsel-Konzepts lässt sich das Wankverhalten je nach Kundenwunsch unterschiedlich auslegen. Diese Schnittstelle bietet die Möglichkeit, Faserverbund-Stabilisatoren anzubinden und so weiteres Gewicht zu sparen – bis zu 50 Prozent etwa im Falle des CFK-Stabilisators, den ZF im Innovationsträger einsetzt.

Die ZF-Verbundlenker-Hinterachse ist aus Stahl und Kohlefaser-Kunststoff-Verbund konstruiert. Ideal kombiniert wird sie mit Leichtbau-Dämpfern, die durch Einsatz von Aluminium in Kombination mit kunststoffumspritzten Dämpferlagern sowie konstruktiven Optimierungen um 25 Prozent leichter sind als herkömmliche Dämpfer.

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