Darmstadt - Im EU-Projekt URBAN-EV ist ein preiswertes und sicheres, ultraleichtes, zweisitziges Elektromobil 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 Ziel des europäisch geförderten Projekts URBAN-EV lag in der Entwicklung eines leichten 2-sitzigen Elektrofahrzeugs für den städtischen Bereich. Zusätzlich verfügt das Fahrzeug über eine Schwenkachse zum platzsparenden Parken. Um dies mit den hohen Anforderungen an ein Fahrzeug zu vereinen, musste konsequenter Leichtbau in den Fokus der Arbeit gerückt werden. Das Fraunhofer LBF übernahm in dem Projekt die Aufgaben, das Schwingfestigkeitsverhalten neuer Leichtbau-Verbindungen zu untersuchen und die Lebensdauerbewertung wesentlicher Fahrzeugkomponenten vorzunehmen.

Rahmenstruktur und Sicherheit

Ein wesentlicher Beitrag zur Masseeinsparung im Fahrzeug wurde durch die Entwicklung einer leichten und stabilen Rahmenstruktur erreicht. Diese Struktur besteht aus Aluminium-Leichtbauprofilen, die über Knotenteile aus Magnesiumguss miteinander verbunden sind. Dazu wurde die Electro Magnetic Puls Technology (EMPT, Projektpartner PST, Alzenau), ein berührungsloses Verfahren zum Fügen elektrisch leitfähiger Materialien, weiterentwickelt. Das Verfahren hat den Vorteil, dass damit im Gegensatz zum Schweißen auch verschiedene Materialien miteinander verbunden werden können und technologische Nachteile, die z.B. beim Kleben auftreten, vermieden werden.

In Voruntersuchungen an bauteilähnlichen Proben dieser so genannten Crimp-Verbindungen konnte nachgewiesen werden, dass sie die im Betrieb auftretenden zyklischen Beanspruchungen zuverlässig ertragen können.

Als hoch beanspruchte Komponente der Rahmenstruktur mit Crimp-Verbindung wurde der A-Knoten Lebensdaueruntersuchungen unter kombinierter Biege- und Torsionsbeanspruchung mit konstanten und variablen Amplituden unterzogen. Dabei wurde ein LBF-eigenes standardisiertes Lastprogramm verwendet. In den Versuchen konnten die guten Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen an den gecrimpten Proben bestätigt werden.

Auch in abschließend mit dem Elektrofahrzeug durchgeführten Crashtests beim Projektpartner Cidaut in Spanien bestätigte sich die Zuverlässigkeit dieser Verbindungen.

Betriebsfestigkeitsnachweis der Achse und Optimierung

Neben der Rahmenstruktur wurde die klappbare Hinterachse in die Lebensdaueruntersuchungen einbezogen. Hierzu wurde der Längslenker der Achse sowie das Modul einer Halbachse betrachtet. Die Herausforderung aller Betriebsfestigkeitsuntersuchungen bestand darin, ein durchgängiges Konzept zur Betriebsfestigkeitsbewertung für die betrachteten Bauteile zu erstellen. Dazu gehörten neben der Festlegung relevanter Lastrichtungen die Bereitstellung geeigneter Lastdaten, die Ableitung von Maßnahmen zur Versuchszeitverkürzung sowie eine Lebensdauerabschätzung. Aufgrund des Einsatzes korrosionsempfindlicher Leichtbaumaterialien waren auch Umwelteinflüsse mit zu berücksichtigen. Es wurde gezeigt, dass der Längslenker seitlich einwirkende Sonderlasten sicher ertragen kann. In den Versuchen am Halbachsmodul konnte Optimierungspotential an der konstruktiven Gestaltung der Baugruppe aufgezeigt werden, das bis zum Abschluss des Projekts im September 2018 auch ausgenutzt wurde.

Kundennutzen

Kleine Elektrofahrzeuge für den Stadtbereich sind eine zukunftsweisende Fahrzeugkategorie für die bislang wenige Bemessungsdaten für eine Betriebsfestigkeitsbewertung verfügbar sind.

Die numerische und experimentelle Betriebsfestigkeitsuntersuchung ausgewählter Leichtbaukomponenten ermöglichte es, die Lebensdauerabsicherung in den Prozess der Fahrzeugentwicklung zu integrieren. Durch die Anwendung standardisierter betriebsnaher Lastkollektive wurde sichergestellt, dass während der Prüfung die Bauteilbeanspruchungen im Fahrzeugeinsatz richtig wiedergegeben werden.

Die durchgeführten Untersuchungen bestätigten eine sichere Auslegung der untersuchten Komponenten und ermöglichten eine weitere Optimierung des Fahrzeugkonzepts.

Quelle: Pressemitteilung Fraunhofer LBF