Leichtbaupotentiale für den Schienenfahrzeugbau - Institut für ...
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<strong>Leichtbaupotentiale</strong> <strong>für</strong> <strong>den</strong><br />
<strong>Schienenfahrzeugbau</strong><br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
13. Dezember 2011
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen<br />
1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation<br />
1. Projektorganisation stört <strong>den</strong> Leichtbau<br />
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch<br />
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber<br />
nicht alles im Leichtbau:<br />
1. Der Kunde stört<br />
2. Die Kosten stören<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
2
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen<br />
1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation<br />
1. Projektorganisation stört <strong>den</strong> Leichtbau<br />
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch<br />
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber<br />
nicht alles im Leichtbau:<br />
1. Der Kunde stört<br />
2. Die Kosten stören<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus<br />
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3
Projektorganisation stört <strong>den</strong> Leichtbau<br />
Quelle: Rossberg (Hrsg.)<br />
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Globalbetrachtung<br />
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Betrachtungsrichtung „von außen nach<br />
innen“<br />
• Einflussgrößen aus dem Umfeld<br />
• konzeptionelle Schwächen aufdecken<br />
5
Folgerungen 1<br />
1. Leichtbaupotential entsteht durch eine Gesamtsicht<br />
2. Entschei<strong>den</strong>d sind die ersten Schritte der Struktur-<br />
definition<br />
3. Klare Definition von Aufgaben und deren Verknüpfung<br />
4. Richtlinien <strong>für</strong> <strong>den</strong> Strukturentwurf und die Konstruktion<br />
helfen Leichtbaupotential zu nutzen<br />
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Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen<br />
1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation<br />
1. Projektorganisation stört <strong>den</strong> Leichtbau<br />
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch<br />
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber<br />
nicht alles im Leichtbau:<br />
1. Der Kunde stört<br />
2. Die Kosten stören<br />
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Globalisierung treibt das Gewicht hoch<br />
Durch global Sourcing viele nicht sauber<br />
gestaltete Schnittstellen und Standardkomponenten<br />
mit hohem Gewicht<br />
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Auch global Sourcing, aber Zulieferer<br />
unter eigener Kontrolle<br />
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Leichtbau durch Systemintegration<br />
• Konventionelle Geräteanordnung einer<br />
Niederflurstraßenbahn<br />
Bildquelle: Vossloh-Kiepe<br />
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Folgerungen 2<br />
1. Der Ansatz „Systemlieferant“ muss die Zulieferer<br />
entwicklungs-/konstruktionsseitig integrieren<br />
2. Es ist eine hohe Kompetenz <strong>für</strong> typische zugelieferte<br />
Komponenten erforderlich (Bremsen, Getriebe, …)<br />
3. Mit <strong>den</strong> Zulieferern sind neue Partnerschaftsmodelle<br />
erforderlich (gemeinsame Definition der<br />
Entwicklungsziele und gemeinsames Profitieren beim<br />
Erreichen der Ziele)<br />
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Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen<br />
1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation<br />
1. Projektorganisation stört <strong>den</strong> Leichtbau<br />
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch<br />
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber<br />
nicht alles im Leichtbau:<br />
1. Der Kunde stört<br />
2. Die Kosten stören<br />
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Das Marketing muss aktiver wer<strong>den</strong><br />
Quelle: Rossberg (Hrsg.)<br />
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Leichtbauziele können nur bei richtiger<br />
Marktvorbereitung erreicht wer<strong>den</strong>.<br />
Quelle: Wikipedia<br />
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Folgerungen 3<br />
1. Heutige Marktforderungen müssen hinterfragt wer<strong>den</strong><br />
2. Komfort, Ergonomie und gutes Design schließen sich<br />
nicht aus<br />
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Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen<br />
1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation<br />
1. Projektorganisation stört <strong>den</strong> Leichtbau<br />
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch<br />
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber<br />
nicht alles im Leichtbau:<br />
1. Der Kunde stört<br />
2. Die Kosten stören<br />
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Prinzip der Kraftleitung<br />
Was ist hier gewesen?<br />
Was ist hier passiert?<br />
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Prinzip der Kraftleitung<br />
Vor dem Bruch<br />
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Prinzip der Kraftleitung<br />
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17
Kurze und direkte Kraftleitung<br />
Ziel:<br />
•Minimum an<br />
•Werkstoffaufwand<br />
•resultierender Verformung<br />
Weg:<br />
•nur Zugkräfte oder<br />
•nur Druckkräfte übertragen<br />
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gleichmäßige<br />
Werkstoffausnutzung<br />
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Kurze und direkte Kraftleitung<br />
Alle drei Übertragungsorgane haben<br />
die gleiche Belastung und<br />
Beanspruchung (rechteckiger<br />
Querschnitt gleicher Dicke)<br />
1<br />
2<br />
3<br />
Quelle: Ehrlenspiel<br />
direkte Kraftleitung<br />
indirekte aber geschlossene<br />
Kraftleitung<br />
indirekte Kraftleitung<br />
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1<br />
2<br />
3<br />
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Typische Krafteinleitung in Tragwerken I<br />
ungünstig besser Hinweise<br />
nach Klein<br />
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Direkte<br />
Einleitung der<br />
Kraft in die<br />
Hauptstruktur<br />
Keine Umleitung<br />
von Kräften<br />
Möglichst<br />
großflächige<br />
Einleitung von<br />
Kräften<br />
SW3
Typische Krafteinleitung in Tragwerken II<br />
ungünstig besser Hinweise<br />
nach Klein<br />
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Möglichst<br />
direkte<br />
Unterstützung<br />
von Kräften<br />
Offene<br />
Strukturen<br />
sollten möglichst<br />
geschlossen<br />
wer<strong>den</strong><br />
SW3
Kurze und direkte Kraftleitung<br />
• Kraftfluss muss stets geschlossen sein<br />
• Kraftfluss muss so kurz wie möglich sein<br />
• Vermeide:<br />
• Kraftumlenkung<br />
• schroffe Querschnittsänderung<br />
• Änderung der Kraftflussdichte<br />
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Prinzip der abgestimmten Verformung<br />
Grundaussagen:<br />
1.Kraftflussbetrachtungen reichen häufig nicht aus<br />
2.Durch Relativverformungen entstehen Zusatzbeanspruchungen<br />
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Prinzip der abgestimmten Verformung<br />
Ziel:<br />
•gleichmäßige Werkstoffausnutzung<br />
Weg:<br />
•gleichgerichtete Verformungen<br />
•möglichst kleine Relativverformungen<br />
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Abgestimmte Verformung: Antriebswelle<br />
Quelle: Pahl/Beitz<br />
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Gleichlaufprobleme wegen<br />
unsymmetrischer Zahnradanordnung<br />
symmetrische Zahnradanordnung<br />
stellte Gleichlauf sicher<br />
Gleicher Torsionswinkel<br />
der Räder durch abgestimmte<br />
Verformung der Wellenabschnitte bei<br />
asymmetrischer Zahnradanordnung<br />
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Problemzone<br />
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Scha<strong>den</strong>sfälle<br />
Einriß
Folgerungen 4<br />
1. Ohne eine gute Entwicklung und Konstruktion geht es<br />
nicht<br />
2. Die Beachtung entwicklungs- und konstruktionstechni-<br />
scher Regeln ist Voraussetzung <strong>für</strong> <strong>den</strong> Leichtbau<br />
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Werkstoffwahl<br />
Ziel:<br />
•Leichtbaukonstruktion<br />
Weg:<br />
•Ändern der Konstruktionsphilosophie<br />
•Einführen neuer Fügetechniken<br />
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Träger gleicher Steifigkeit: St - Al<br />
Werkstoff Stahl Aluminium Aluminium Aluminium<br />
t<br />
b<br />
w<br />
I [x 10 6 mm 4 ]<br />
E x I [x 10 12 N mm²]<br />
h [mm]<br />
b [mm]<br />
t [mm]<br />
w [mm]<br />
h<br />
Gewicht [kg/mm]<br />
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38,9<br />
8,1<br />
240<br />
120<br />
9,8<br />
6,2<br />
30,7<br />
116,6<br />
8,16<br />
240<br />
240<br />
18,3<br />
12<br />
30,3<br />
116,7<br />
8,17<br />
300<br />
200<br />
12,9<br />
6<br />
18,4<br />
117,3<br />
8,21<br />
330<br />
200<br />
10<br />
6<br />
15,8<br />
17_30_02
Gewichtsoptimierung von Biegeträgern<br />
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Wegen Instabilität<br />
(Beulen des Stegs)<br />
muss örtlich die Wanddicke<br />
erhöht wer<strong>den</strong>.<br />
Gewichtserhöhung<br />
17_30_03
Optimale Gestaltung eines Al-Trägers<br />
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Stahl Aluminium Aluminium<br />
Gewicht [kg/m] 40 16,9 27<br />
Trägheitsmoment [mm 4 ] 76 * 10 6 225 * 10 8 228 * 10 6<br />
Widerstandsmoment<br />
[mm³]<br />
Torsionssteifigkeitsfakto<br />
r<br />
25 * 10 6 49 * 10 4 52 * 10 4<br />
1 0,24 27,5<br />
Gewichtseinsparung [%] 0 57 32,5<br />
17_30_04
Sandwichbauweise<br />
Vorteile<br />
•Geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher<br />
Biegesteifigkeit<br />
•Gute Schwingungsdämpfung<br />
•Gute Schallisolation<br />
•feuerfest<br />
Nachteile<br />
•Keine standardisierte Verbindungstechnik<br />
•Keine einfach anzuwen<strong>den</strong><strong>den</strong><br />
Festigkeitshypothesen<br />
•Mangelnde Kenntnis der Konstrukteure über<br />
Möglichkeiten der Sandwichbauweise<br />
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Deckschicht<br />
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Kernschicht
Möglichkeiten und Grenzen<br />
Möglichkeiten<br />
•Gewichtseinsparung<br />
•Bauteilreduktion durch Funktionsintegration<br />
•verbesserte Oberflächengüte<br />
•geringere Montage- und Ausstattungskosten<br />
•Integrierte Sensorik und Aktorik<br />
Grenzen<br />
•Wirtschaftlichkeit?<br />
•Auslegung und Berechnung<br />
•Automatisierte Fertigung, Montage und Verbindung?<br />
•Baukastensystem/Modularer Aufbau?<br />
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Quelle: DE-LIGHT<br />
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Prinzip der abgestimmten Verformung<br />
Quelle: E. Bozhevolnaya; A.H. Scheikh; O.T. Thomson<br />
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Optimierte Lösung durch<br />
eine „Materialanpassung“<br />
Optimierte<br />
Lösung<br />
8th international conference on<br />
sandwich structures, Porto,2008<br />
Local effects in the vicinity of transitions<br />
from sandwich to monolithic laminate<br />
configurations<br />
Verfahren: Vakuuminfusion<br />
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Zusammenfassung<br />
• Leichtbau scheitert an übergeordneten Dingen:<br />
• Organisation (Verantwortungen, Aufgabenteilungen,…)<br />
• Heute vorhan<strong>den</strong>en Marktforderungen<br />
• Heute vorhan<strong>den</strong>en Vorschriften<br />
• Heute vorhan<strong>den</strong>en Betriebskonzepten<br />
• Leichtbau scheitert nicht an:<br />
• Werkstoffen<br />
• Konstruktion<br />
• Fertigung<br />
Ihre gute Ausführung, bzw. Wahl ist Voraussetzung.<br />
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