Material sparen, leichter fahren

Leichtbauweisen liegen in der Automobilbranche voll im Trend. Aus gutem Grund: Denn durch die Reduktion des Gewichts lässt sich auch der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs deutlich senken. In einer aktuellen von Dörken MKS beauftragten Studie des ACS – Automotive Center Südwestfalen, wurde untersucht, inwieweit hochwertige Korrosionsschutzbeschichtungen dabei helfen können, das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs nachhaltig zu senken. 

Blechdickenreduktion bei Fahrzeugbauteilen – ist das möglich?

Aufgrund des Risikos von Korrosion werden die derzeit in Automobil-Fahrzeugen verbauten Bleche hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeiten in der Regel deutlich überdimensioniert. Im Rahmen der Studie wurde nun untersucht, inwieweit sich die Blechdicken durch den Einsatz leistungsfähiger Korrosionsschutzbeschichtungen verringern lassen – im Sinne einer nachhaltigen Materialeinsparung und leichterer Bauteile.

Simulationsversuche zur Blechdickenreduktion

Im ersten Schritt wurde anhand des vereinfachten Ersatzmodellseines Fahrwerkslenkers in Form eines U-Profils aus Stahl untersucht, bis zu welchem Punkt die Wandstärke des Fahrzeugbauteils reduziert werden kann – ohne dabei die reale Bauteilfunktionalität und die Anforderungen der OEM-Lastenhefte zu beeinträchtigen.


 

Die für die Studie erstellte vereinfachte Form eines Fahrwerkslenkers: U-Profil mit Materialstärke 2,6 mm (Länge 300 mm); Bildquelle: acs - Automotive Center Südwestfalen GmbH

Dazu wurde in der Sudie des ACS zunächst unter zur Hilfenahme der Finite-Elemente-Methode berechnet, wie sich zum Beispiel die Knicklast des U-Profils mit der in gegenwärtigen Fahrwerkskomponenten gebräuchlichen Blechdicke von 2,6 mm verhält.


 

Lokale Spannungsmaxima im Original-Bauteil unter Zugbelastung; Bildquelle: acs - Automotive Center Südwestfalen GmbH

Das bedeutet: In einem Modelaufbau wurde das Profil simulativ in seiner Längsrichtung zusammengedrückt, bis es ausknickt (Versuch nach Leonard Euler). Ergebnis: Ein Ausknicken des U-Profils würde bei einer Kraft von 49,2 kN erfolgen. Da sich die Vorgaben der OEMs hinsichtlich der Knickfestigkeit eines Längslenkers je nach Fahrzeugmodell auf nur ca. 35 kN belaufen, war bereits hier eine deutliche Überdimensionierung festzustellen. In weiteren Simulations-Berechnungen wurde nun ermittelt, bis zu welcher Blechdicke das U-Profil unter einer gegebenen Knicklast von min. 35kN reduziert werden kann. Das Ergebnis: Die Simulation hat gezeigt, dass sich die Blechdicke des U-Profils auf 2 mm reduzieren ließe – bei voller Erfüllung der geforderten Knickfestigkeit. So ergibt sich grundsätzlich die Möglichkeit einer Massen-Reduzierung um ca. 31 %.

Zinklamellenbeschichtung: Geringere Wandstärken bei gleicher Bauteilperformance

Im anschließenden praktischen Versuchsaufbau wurde im Rahmen der Studie des Automotive Center Südwestfalen der Einfluss von Korrosion auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die mechanische Prüfung erfolgte in einem 3-Punkt-Biege-Versuch, da dieser im Vergleich zu Knicklast-Versuchen weniger anfällig auf konstruktive Unterschiede reagiert. Dementsprechend wurde auch hier zunächst berechnet, welche Biegesteifigkeit mindestens erfüllt werden muss. In dem Modelaufbau ergab die Berechnung für das U-Profil mit einer Wandstärke von 2mm eine Biegesteifigkeit von 3,1 kN/mm.


Die für den Knicklastfall ermittelte minimale Blechdicke von 1,95 mm wurde in unterschiedlichen 3-Punkt-Biegepüfungen validiert.; Bildquelle: acs - Automotive Center Südwestfalen GmbH

Für die Versuche wurden zwei unterschiedlich starke U-Profile aus Stahl mit verschiedenen Beschichtungen betrachtet: ein 2 mm dickes U-Profil mit einem hochleistungsfähigen Zinklamellen-Basecoat und -Topcoat von Dörken MKS sowie ein 2,6 mm dickes U-Profil mit einer Phospat- und anschließenden KTL-Beschichtung. Nach der Beschichtung wurden die Prüfkörper mit einem Steinschlag im Knick-Bereich belastet (gemäß DIN EN ISO 20567) und daraufhin jeweils drei Korrosionsbelastungen ausgesetzt: der Salzsprühnebelprüfung (gemäß DIN EN ISO 9227), dem beschleunigten Korrosionstest II (ACT II) und der VDA-Prüfung (gemäß VDA 233-102). 

Nach 1.000 Stunden in der Salzsprühnebelprüfung zeigte das mit dem Zinklamellensystem beschichtete Prüfteil im Vergleich keinen Rotrost-Befall. Und auch im Rahmen der zyklischen Belastungs- und Korrosionsprüfung waren die Ergebnisse des beschleunigten Korrosionstest sowie der VDA-Prüfung eindeutig: Das 2 mm dicke U-Profil mit Zinklamellenbeschichtung zeigte jeweils nach sechs Zyklen keinerlei Rotrost, während beim 2,6 mm dicke U-Profil mit Phosphat- und KTL-Beschichtung einen Rotrost-Befall erkennbar war. Zuletzt wurde bei den beschichteten Prüfteilen eine 3-Punkt-Biegeprüfung (in Anlehnung an DIN EN ISO 14125) durchgeführt. 


Das mit dem Zinklamellensystem von Dörken MKS beschichtete Blech (Dicke 2 mm) nach der Salznebelsprüh-Prüfung.; Bildquelle: acs - Automotive Center Südwestfalen GmbH

Das Automotive Center Südwestfalen stellte heraus, dass bei den geprüften U-Profilen mit einer Wandstärke von 2mm – sowohl belastet als auch unbelastet – eine Biegesteifigkeit zwischen 3,2 und 3,4 kN/mm vorzufinden war. Die Ergebnisse der U-Profile mit einer Wandstärke von 2,6mm wiesen unbelastet eine Biegesteifigkeit von ca. 4kN/mm und nach Belastung Werte zwischen 3,8 und 3,9 kN/mm. 

Nach den Versuchen lässt sich festhalten: Nach unterschiedlichen Korrosionsbelastungen konnten bei dem Bauteil mit einer Zinklamellenbeschichtung nicht nur die Korrosionseigenschaften erfüllt werden, sondern auch die mechanischen Eigenschaften – vor allem die im Lastenheft der OEMs geforderte Steifigkeit. Das 0,6 mm dickere Bauteile mit Phosphat- und KTL-Beschichtung konnte zwar aufgrund der höheren Materialstärke die mechanischen Eigenschaften weiterhin erfüllen, zeigte jedoch deutlichen Rotrost auf. Betrachtet man die Korrosivitätskategorie C3 (gemäß DIN EN ISO 12944), welche einer Stadt- und Industrieatmosphäre beschreibt, würde die Dickenabnahme des Bauteils zwischen 25 und 50μm pro Jahr betragen – auf zehn Jahre betrachtet wären das bis zu 0,5 mm. Bei der Konstruktion des Bauteils wurde dementsprechend mit der höheren Materialstärke der Korrosionsverlauf über einen Lebenszyklus von zehn Jahren berücksichtigt. Der Vergleich der beiden Bauteile zeigt, dass eine auf das Bauteil individuell abgestimmte Korrosionsschutz-Lösung die Blechdicke und somit das Gewicht deutlich verringern kann – bei vollständiger Erfüllung der seitens der Automobilhersteller geforderten Sicherheiten.

Zusammenfassung

In puncto Blechdicken bieten sich bei Fahrzeugbauteilen – bzw. den hier exemplarisch untersuchten Fahrwerkslenkern – für die Zukunft zahlreiche Optionen zur Gewichts-einsparung und somit neue Ansätze für den Leichtbau. Als Ideallösung im Sinne der hohen Lastenheft-Anforderungen seitens der OEM erweisen sich dabei auf die jeweilige Belastung abgestimmte Stahlbleche, die mit einem widerstandfähigen Zinklamellensystem beschichtet werden.