Strukturentwurf von Kraftfahrzeugen - ika - RWTH Aachen University

SCHRIFTENREIHE
AUTOMOBILTECHNIK
Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein
Strukturentwurf
von Kraftfahrzeugen
Bauweisen & Package
Fertigungs- & Fügeverfahren
Leichtbau & Betriebsfestigkeit
Passive Sicherheit
Fußgängerschutz
SLC - SuperLightCar
Vorlesungsumdruck Strukturentwurf

Herausgeber
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein
Institut für Kraftfahrzeuge
RWTH Aachen University
Steinbachstraße 7
52074 Aachen
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Fax +49 241 80 22147
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Vorlesung /
Assistent
Dipl.-Ing. Kristian Seidel
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Verlag + Vertrieb
fka - Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen
Steinbachstraße 7
52074 Aachen
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www.fka.de
ISBN 978-3-940374-29-5
1. Neuauflage / Aachen, im April 2010
Nachdruck, photomechanische und elektronische
Wiedergabe / Bearbeitung und Übersetzung vorbehalten

Inhalt 5
Inhalt
1 Transportaufgabe und Aufbauformen ................................................................ 13
1.1 Transportaufgabe ......................................................................................... 14
1.2 Funktionsgruppen und Anforderungen des Fahrzeugaufbaus ...................... 15
1.3 Karosseriebauweisen von Pkw ..................................................................... 16
1.4 Karosseriebauweisen und Aufbauformen von Lkw ....................................... 23
1.5 Karosseriebauweisen und Aufbauformen von Anhängern ............................ 26
1.6 Karosseriebauweisen und Aufbauformen von Bussen ................................. 27
2 Package und Fahrerplatzgestaltung .................................................................. 30
2.1 Package ....................................................................................................... 30
2.2 Fahrerplatzgestaltung und Innenraumpackage ............................................ 32
2.2.1 Percentile, Ergonomie und Mensch-Maschine-Schnittstelle ...................... 32
2.2.2 Sitzkonzeption ........................................................................................... 34
2.2.3 Sichtkonzeption ......................................................................................... 42
2.2.4 Bedienkonzeption ...................................................................................... 50
2.3 Mechanisches Package ................................................................................ 55
2.3.1 Trägerstruktur ............................................................................................ 55
2.3.2 Aggregate und alternative Antriebe ........................................................... 57
3 Struktursteifigkeit und Eigenfrequenzen ............................................................ 63
4 Fertigungs- und Fügeverfahren .......................................................................... 69
4.1 Fertigungsverfahren ..................................................................................... 69
4.1.1 Tiefziehen .................................................................................................. 70
4.1.2 Strangpressen ........................................................................................... 73
4.1.3 Innenhochdruckumformung ....................................................................... 75
4.2 Fügeverfahren .............................................................................................. 78
4.2.1 Schweißen ................................................................................................ 78
4.2.2 Mechanische Fügetechniken ..................................................................... 82
4.2.3 Strukturelles Kleben / Hybridfügen ............................................................ 85

6
Inhalt
5 Leichtbaumaßnahmen ....................................................................................... 87
5.1 Leichtbauwerkstoffe ...................................................................................... 90
5.2 Konstruktiver Leichtbau .............................................................................. 100
5.3 Grenzen des Leichtbaus ............................................................................. 103
6 Konstruktive Gestaltung von Fahrzeugkarosserien .......................................... 109
6.1 Konzeptbestimmende Anforderungen an Karosseriekomponenten ........... 109
6.1.1 Allgemeine Entwicklungsanforderungen ................................................. 110
6.1.2 Anforderungen an die Karosseriestruktur ................................................ 111
6.1.2.1 Stoßfängersystem ............................................................................. 112
6.1.2.2 Frontendträger .................................................................................. 114
6.1.2.3 Vordere Längsträger ......................................................................... 115
6.1.2.4 Fahrschemel ..................................................................................... 116
6.1.2.5 Stirnwand .......................................................................................... 118
6.1.2.6 A-Säule ............................................................................................. 119
6.1.2.7 Dachrahmen ..................................................................................... 120
6.1.2.8 B-Säule ............................................................................................. 121
6.1.2.9 Seitenschweller ................................................................................ 123
6.1.2.10 Bodenstruktur ................................................................................ 124
6.1.2.11 Hintere Längsträger ....................................................................... 126
6.1.2.12 Gepäcktrennwand ......................................................................... 127
6.1.2.13 Dach und Dachspriegel ................................................................. 128
6.1.2.14 Seitenwand .................................................................................... 129
6.2 Geometrieerstellungsprozess von Karosseriebauteilen .............................. 130
7 Betriebsfestigkeit .............................................................................................. 133
7.1 Theoretische Grundlagen zur Betriebsfestigkeit ......................................... 133
7.1.1 Grundlagen der Ermüdungsfestigkeit ...................................................... 134
7.1.2 Ermüdungsfestigkeitsversuche ............................................................... 137
7.1.2.1 Wöhlerversuche ................................................................................ 137
7.1.2.2 Smith-Diagramm ............................................................................... 138

Inhalt 7
7.1.2.3 Bauteil-Wöhlerlinie ............................................................................ 140
7.1.3 Grundlagen zur Betriebsfestigkeitssimulation ......................................... 141
7.1.3.1 Beanspruchungskollektive ................................................................ 142
7.1.3.2 Grundlagen zu statistischen Zählverfahren (Klassierverfahren) ....... 143
7.1.3.3 Klassengrenzenüberschreitungszählung .......................................... 144
7.1.3.4 Bereichspaarzählung ........................................................................ 145
7.1.3.5 Rainflow-Zählung .............................................................................. 146
7.2 Durchführung einer Betriebsfestigkeitsanalyse .......................................... 149
7.2.1 Einsatzanalyse des Prüfkörpers .............................................................. 150
7.2.1.1 Belastungsanalyse............................................................................ 151
7.2.1.2 Beanspruchungsanalyse .................................................................. 153
7.2.1.3 Beanspruchungskollektive für Betriebsfestigkeitssimulationen ......... 154
7.2.2 Simulation der Betriebsfestigkeit ............................................................. 157
7.2.2.1 Lebensdauerphasen ......................................................................... 157
7.2.2.2 Berechnungskonzepte ...................................................................... 158
7.2.2.3 Schadensakkumulation ..................................................................... 159
7.2.2.3.1 Palmgren-Miner-Regel .............................................................. 160
7.2.2.3.2 Elementar-Miner-Regel und Modifikation nach Haibach ........... 162
7.2.2.3.3 Relative-Miner-Regel ................................................................. 164
7.2.2.4 Simulation der Lebensdauer ............................................................. 165
7.2.3 Experimentelle Bestimmung der Betriebsfestigkeit ................................. 167
7.2.3.1 Prüfsignale ........................................................................................ 168
7.2.3.2 Zeitraffung ........................................................................................ 169
7.2.3.3 Prüfstandstechnik ............................................................................. 170
7.2.3.3.1 Modul- und Komponentenprüfstände ........................................ 171
7.2.3.3.2 Radgekoppelte Prüfstände ........................................................ 172
7.2.3.3.3 Achsgekoppelte Prüfstände ...................................................... 172
7.2.3.4 Experimentelle Bestimmung der Lebensdauer ................................. 173

8
Inhalt
7.2.4 Bestimmung der Lebensdauer mit Hilfe von Fahrversuchen ................... 174
8 Simulation ........................................................................................................ 179
8.1 Grundlagen ................................................................................................. 179
8.1.1 Das Computer Aided Engineering (CAE) ................................................ 179
8.1.2 Der Ansatz der FEM ................................................................................ 179
8.1.3 Ablauf einer FE-Berechnung ................................................................... 183
8.2 Erstellung und Analyse eines FE-Modells .................................................. 184
8.2.1 Geometriebearbeitung ............................................................................ 185
8.2.2 Vernetzung .............................................................................................. 185
8.2.3 Definition der Materialkennwerte ............................................................. 187
8.2.4 Wahl der Einspannungen ........................................................................ 189
8.2.5 Definition der Belastung .......................................................................... 190
8.2.6 Festlegung des Analysetyps ................................................................... 190
8.2.7 Definition der Ausgabe ............................................................................ 191
8.2.8 Anwendungsbeispiel einer eingespannten Platte .................................... 191
8.3 Computerunterstützte Optimierung im Entwicklungsprozess ..................... 194
8.3.1 Topographieoptimierung von Blechfeldern .............................................. 196
8.3.2 Parameteroptimierung ............................................................................. 197
8.3.3 Topologieoptimierung eines Gesamtfahrzeugs ....................................... 199
8.4 Crash- und Insassensimulation .................................................................. 201
8.4.1 Crashsimulation ...................................................................................... 202
8.4.2 Insassensimulation .................................................................................. 204
9 Grundlagen der passiven Sicherheit ................................................................ 211
9.1 Fahrzeugsicherheit ..................................................................................... 211
9.2 Passive Sicherheit ...................................................................................... 214
9.3 Innere Kompatibilität ................................................................................... 216
9.3.1 Strukturbaugruppen des Fahrzeugs ........................................................ 217
9.3.1.1 Frontstruktur ..................................................................................... 218
9.3.1.2 Seitenstruktur ................................................................................... 220

Inhalt 9
9.3.1.3 Heckstruktur ..................................................................................... 222
9.3.1.4 Dachstruktur ..................................................................................... 222
9.3.2 Energieabsorption und Deformation ........................................................ 223
9.3.3 Unfallkinematik ........................................................................................ 226
9.3.4 Unfallkenngröße EES .............................................................................. 227
9.4 Äußere Kompatibilität ................................................................................. 229
10 Insassenschutz und Rückhaltesysteme ........................................................... 240
10.1 Fahrzeugsitze ............................................................................................. 244
10.2 Kopfstützen ................................................................................................ 247
10.3 Gurtrückhaltesysteme ................................................................................. 249
10.4 Front-Airbagsysteme .................................................................................. 255
10.5 Airbagsysteme für den Seitenaufprall ......................................................... 258
10.5.1 Seiten- bzw. Thoraxairbagsystem ........................................................ 258
10.5.2 Kopfairbagsysteme .............................................................................. 260
10.6 Weitere Airbagsysteme .............................................................................. 261
10.7 Aufbau von Airbagsystemen ....................................................................... 262
10.8 Sensierung und Auslösung von Rückhaltesystemen .................................. 264
10.8.1 Sensierungskonzepte bei Seitenairbags .............................................. 272
10.8.2 Out of Position (OoP) ........................................................................... 274
10.9 Kindersitze .................................................................................................. 278
10.10 Rückhaltesysteme in Lkw und Bussen .................................................... 280
10.11 Misuse-Randbedingungen ...................................................................... 281
11 Unfallgeschehen und Biomechanik .................................................................. 283
11.1 Unfallforschung .......................................................................................... 283
11.1.1 Unfallstatistik ........................................................................................ 285
11.1.2 Klassifizierung von Unfällen ................................................................. 289
11.2 Biomechanik ............................................................................................... 295
11.2.1 Aufgaben der Biomechanik .................................................................. 295
11.2.2 Kopf ..................................................................................................... 296

10
Inhalt
11.2.2.1 Verletzungsmechanismen des Kopfes .......................................... 297
11.2.2.2 Verletzungskriterien für das Gehirn ............................................... 299
11.2.3 Wirbelsäule .......................................................................................... 301
11.2.3.1 Verletzungsmechanismen der Halswirbelsäule ............................. 303
11.2.3.2 Grenzwerte für die Halswirbelsäule ............................................... 304
11.2.4 Thorax, Abdomen und Beckenbereich ................................................. 305
11.2.5 Untere Extremitäten ............................................................................. 305
11.2.6 Bewertungskriterien für die Verletzungsschwere ................................. 307
12 Fußgängerschutz ............................................................................................. 309
12.1 Bedeutung des Fußgängerschutzes ........................................................... 309
12.2 Unfallkinematik ........................................................................................... 311
12.3 Verletzungsschwere ................................................................................... 313
12.4 Gesetzgebung und Verbraucherschutztests in Europa .............................. 315
12.5 Konstruktive Lösungen ............................................................................... 320
12.5.1 Bein- und Beckenaufprall ..................................................................... 320
12.5.2 Kopfaufprall .......................................................................................... 322
12.6 Vorausschauender Fußgängerschutz ......................................................... 327
13 Testverfahren für Fahrzeugcrashversuche ...................................................... 329
13.1 Frontalaufprall ............................................................................................ 329
13.1.1 Unfallanalyse Frontalaufprall................................................................ 330
13.1.2 Frontalaufprallversuche ....................................................................... 330
13.1.2.1 Europäische Testverfahren ........................................................... 330
13.1.2.1.1 ECE-R 94: Insassenschutz beim Frontalaufprall ..................... 332
13.1.2.1.2 Crashreparaturtest (CRT) ........................................................ 333
13.1.2.1.3 Euro NCAP .............................................................................. 334
13.1.2.2 US-amerikanische Testverfahren .................................................. 339
13.1.2.2.1 FMVSS 201: Insassenschutz beim Innenraumaufprall ............ 341
13.1.2.2.2 FMVSS 208: Insassenschutz .................................................. 342

Inhalt 11
13.2 Seitenaufprall ............................................................................................. 344
13.2.1 Unfallanalyse Seitenaufprall ................................................................ 344
13.2.2 Seitenaufprallversuche ........................................................................ 344
13.2.2.1 Europäische Testverfahren ........................................................... 346
13.2.2.1.1 ECE-R 95: Insassenschutz ..................................................... 346
13.2.2.1.2 Euro NCAP-Seitenaufprall ....................................................... 346
13.2.2.1.3 Crashreparaturtest (CRT): Reparaturfreundlichkeit ................. 347
13.2.2.2 US-amerikanische Testverfahren .................................................. 347
13.2.2.2.1 FMVSS 201 / Euro NCAP: Pfahlaufprall .................................. 347
13.2.2.2.2 FMVSS 208 / 301: Insassenschutz / Tankanlage .................... 348
13.2.2.2.3 FMVSS 214: Seitenaufprallschutz ........................................... 349
13.3 Heckaufprall ............................................................................................... 350
13.3.1 Unfallanalyse Heckaufprall .................................................................. 350
13.3.2 Heckaufprallversuche .......................................................................... 350
13.4 Überschlag ................................................................................................. 352
13.4.1 Überschlagsversuche .......................................................................... 352
13.4.1.1 FMVSS 208: Dynamischer Überrollversuch .................................. 353
13.5 Bus- und LKW-Crashanforderungen .......................................................... 353
13.5.1 Testverfahren bei Bussen .................................................................... 353
13.5.1.1 ECE-R 66: Busüberschlag ............................................................. 354
13.5.2 Testverfahren für Lkw .......................................................................... 355
13.5.2.1 Schwedentest ................................................................................ 355
13.6 Bewertung der Testverfahren ..................................................................... 356
14 Versuchstechnik ............................................................................................... 358
14.1 Koordinatenvermessung ............................................................................. 358
14.2 Prüfstände und Datenerfassung im Fahrzeugcrashversuch ....................... 359
14.2.1 Fallturm- und Pendelschlagprüfstände ................................................ 359
14.2.2 Crashanlagen ....................................................................................... 361

12
Inhalt
14.2.3 Fahrzeug-Hindernis-Versuche ............................................................. 362
14.2.4 Fahrzeug-Fahrzeug-Versuche ............................................................. 363
14.2.5 EVC-Fahrzeugsteuerung ..................................................................... 364
14.2.6 Schlittenversuche ................................................................................. 365
14.2.7 Katapult-Anlagen ................................................................................. 367
14.2.8 Messdatenerfassung ............................................................................ 367
14.2.8.1 Sensoren ....................................................................................... 368
14.2.8.2 Daten-Aufzeichnungseinheiten ...................................................... 369
14.2.8.3 Dummies ....................................................................................... 369
14.2.8.4 High-Speed-Videotechnik .............................................................. 373
14.2.8.5 Videoanalysetools ......................................................................... 374
15 Verwendung von Plattformen und Modulen in der Fahrzeugtechnik ................ 375
15.1 Herausforderungen an die OEMs ............................................................... 376
15.2 Definition wichtiger Begriffe ........................................................................ 377
15.2.1 Gleichteil und Systembauteil ................................................................ 377
15.2.2 Modul ................................................................................................... 377
15.2.3 Baukasten ............................................................................................ 378
15.2.4 Plattform .............................................................................................. 379
15.2.5 Hut ....................................................................................................... 381
15.3 Modularisierung .......................................................................................... 381
15.3.1 Beispiele für Module ............................................................................ 381
15.3.2 Modularisierungsmöglichkeiten von Karosserien ................................. 383
15.4 Plattformstrategien ..................................................................................... 385
16 Anhang ............................................................................................................ 388
16.1 Dummies .................................................................................................... 388
17 Literatur ............................................................................................................ 389
18 Stichwortverzeichis .......................................................................................... 409