Klausur 6 Juli Summer 2019, Antworten PDF

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1. Basis

10 Fragen

1) Was ist Leichtbau ?

Folien 5 - 8,131

Leichtbau ist das Gestalten von Bauteilen, die alle Anforderungen erfüllen und dabei ein minimales Gewicht haben. Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie welche die Kenntnisse aus Mechanik und Werkstofftechnik verknüpft und somit ein effizientes und zukunftsfähiges Automobil ermöglicht. 2) Welches sind die Stellhebel beim Fahrzeugleichtbau und welchen Einfluss haben sie

Folien 14

20% Konstruktion: Konzeptauslegung, Strukturauslegung, Strukturberechnung, Topologieoptimierung 70% Werkstoff: Hochfeste Stähle, Aluminium, Magnesium, Kunststoffe, Faserverbund, CFK, Hybride 10% Technologie: Fertigungstechnologie (Formen, Fügen,…), Entwicklungs-Tools (CAE-Simulation: CAO (Computer AidedOptimization: Gestaltoptimierung), SKO (Soft Kill Option: Topologieoptimierung),…) 3) Was sind die Treiber des Leichtbaus

Folien16 –20

Früher: Rennsport => bessere Fahrdynamik Heutzutage: CO2-Anstieg in der Atmosphäre => Gesetzgebung zur Emissions-Reduzierung, Gewichtsreduktion ist ein wesentlicher Bestandteil im Bestreben den CO2 Ausstoß zu senken EU: CO2-Emissionen verringern 130g/km bis 2015 UND 95g/km bis 2020 4) Warum ist Leichtbau sinnvoll?

Folien 32,33,34,35

Fahrwiderstände sind direkt proportional der Fahrzeugmasse => Weniger Gewicht => weniger Fahrwiderstand => weniger CO2-Emissionen Geringerer Verbrauch => Kosteneinsparung Bessere Fahrdynamik => höherer Spaßfaktor Höhere Nutzlast => höhere Transportkapazität Das Fahrzeuggewicht hat 20-30% Anteil an Verbrauchsbestimmenden Faktoren 5) Welche Leichtbau-Prinzipien kennen Sie?

Folien 37

Prinzipien der : Genaue Analyse Konstruktion Leichtbau Werkstoffe Technologie 6) Welche Leichtbau-Strategien kennen Sie

Folien 54,55

Bedingungsleichtbau (Gesetze, Markt, Funktion..) Konzeptleichtbau (Funktionsintegration,..) Stoffleichtbau (Werkstoffsubstitution,…) Formleichtbau (Struktur, Bauweisen,…) Fertigungsleichtbau (Herstellung, Montage,…) 7) Was ist Kosten optimaler Leichtbau?

Folien 57,58,59,60,61

Gewichtsreduzierung mit Kostenvorgabe (€/kg) => ökonomische Vertretbarkeit steht im Fokus Akzeptierte Kosten pro kg Einsparung  Lo An der Stelle, wenn Fertigungs- ingenieur UND Herstellkosten am geringsten sind Ökonomische Vertretbarkeit! 8) Was sind bzw. waren die Gewichtstreiber in den vergangenen Jahrzehnte in der Fahrzeugentwicklung?

Folien 66,67

Sicherheit / Komfort / Fahrleistung / Raumangebot / Variabilität / Qualität 9) Was zeichnet intelligenten, nachhaltigen Leichtbau aus?

Folien 73,75,76,77,78

Ideale Eigenschaftskombination aus Gewicht/Funktion/Kosten/LCA. Um optimale Lösungen zu finden, müssen innovative Ideen und Ansätze zur Gewichtsreduzierung auch im Zielkonflikt von ökonomischer und ökologischer Vertretbarkeit bewertet werden. Negativen Umwelteffekt bei der Herstellung des Werkstoffes gegenüberstellen mit dem Nutzen im Betrieb, DANN Recyclingfähigkeit positiv bewerten 10) Nennen Sie drei besondereLeichtbau-Entwicklungen der Folien 81,88,95,98, letzten Jahrzehnte und jew. eine Besonderheit (Unterschiede) 105,119 Audi Space Frame (tragende Grundstruktur aus Aluminiumprofilen und Gussknoten) / ULSAB Ultra Light Konstruktion Auto Steel Body (Einsatz hochfester Stähle) / Clever Compact Low Emission Vehiclefor Urban Transport (reines Stadt-Auto) / LoReMo Low Resistance Mobile (minimierung der Fahrwiderstände / Reduktion von Gewicht und Luftwiderstand) / Super Light Car (Mischbauweise /hochfest warmgeformte Stähle, Aluminium, Magnesium, faserverstärkte Kunststoffe) / InCar-Projekt (Hochfester Stahl, Tailored Blanks, Sandwichbauweise =>funktions/kosten/gewichtsoptimiert) • ASF (ALU-Spaceframe )AUDI • ULSAB (hochfester Stahl – Ultra Light Auto Steel Body) • CLEVER (Compact Low Emission Vehicle for Urban Transport) • LOREMO (Stahl und Composite – „Badewannen verschweißt“) • SLC (SuperLightCar (Golf V - Mischbauweise)) • InCar-Projekt (Hochfeste Stahlmischbauweise)

Gesamt 35

2. Konstruktion

15 Fragen

1) Welche Prinzipien der Leichtbau-Konstruktion kennen Sie?

Folien 11

Annähernd gleiche Spannungen im gesamten Bauteil (Bionik-Wachstumsregel) Geeignete Profilgeometrien Direkte Krafteinleitung (in die Struktur nicht in die Kontur) Feingliederung von Strukturen Stützwirkung durch Krümmung ausnutzen Kerben vermeiden (Zusatz-Material nötig) Funktionsintegration (Betrachtung des Systems nicht nur des einzelnen Bauteils) CAE- Simulation (CAO, SKO, CAIO, etc.) Vorgegebene Nutzungs- und Lebensdauer beachten 2) Beschreiben Sie zwei Prinzipien der Leichtbau- Konstruktion!

Folien 12 ff.

Bionik entdeckt und analysiert Lösungen der belebten Natur‚ und setzt diese (innovativ) in die Technik um.transferiert Problem- Lösungen aus der Biologie in die Technik und gibt Anregungen für bessere (effiziente)

Die Wachstumsregel beschreibt das Wachstumsverhalten von biologisch gewachsenen Strukturen, wie z.B. Bäume oder Knochen, die mechanischen Beanspruchungen (z. B. Windlast, Tragelast) ausgesetzt sind. Es handelt sich -von der Mechanik her gesehen- um (biologische) Kraftträger. Die Wachstumsregel lautet: 1.Lagere an hochbelasteten Stellen Material an. 2.Entferne Material an niedrigbelasteten Stellen. Sie wurde am Forschungs- Zentrum in Karlsruhe von Prof. Dr. Claus Matthek untersucht.Er fand heraus, dass biologische Strukturen in einer Form wachsen, bei der unter den auftretenden Belastungen die Oberflächenspannung homogen ist

3) Welche Eigenschaft hat eine ideale Leichtbau-Konstruktion ?

Folien 11

Gleiche Spannung im ganzen Bauteil 4) Was besagt die Wachstumsregel?

Folien 16,69,70

Versagenssicheres Bauteil mit minimalem Material-Aufwand an hochbelasteten Stellen Material anlagern, an niedrigbelasteten Stellen Material entfernen. 5) Warum kann eine Stahlkonstruktion leichter sein als eine aus Alu

Folien 33,34,35

Das E-Modul ist unterschiedlich und somit die maximalen Belastungen. Dementsprechend kann ein Alurohr ggf. eine höhere Wanddicke(, da geringere Festigkeit) besitzen als eines aus Stahl und somit insgesamt mehr gewicht besitzen. 6) Warum bringen Sicken eine Strukturversteifung?

Folien 54

Erhöhung des Flächenmoments sowie des Beulwiderstands durch Ausnutzung der Stützwirkung von Krümmungen. Zusätzlicher Steiner-Anteil durch die Verlagerung der Schwerelinie. Erhöhtes Flächenträgheitsmoment Zusätzlicher Seiner-Anteil Erhöhter des Beulwiderstands 7) Was bedeutet Funktionsintegration und warum fördert sie Leichtbau? Folien 65,66,67 mehrere Einzelbauteile mit jeweils einer Funktion durch ein einzelnes Bauteil mit entsprechenden Funktionen ersetzen. Gewichtseinsparung durch entfall von einzelnen Abstützungen und Anbindungen.

8) Was verstehen Sie unter „Topologie-Optimierung“?

Folien 70,71,73

Entfernung von Material im nicht belasteten Bereich. „Wachstumsregel“ 9) Wie läuft ein Toplogie-Optimierungs-Prozess ab?

Folien 77,78

Bauraumdefinition , FE-Modell  nach der Topologieoptimierung  Nach neumoddelierung nach Gestaltoptimierung  Optimiertes Bauteil in CAD Bauraummodell  Topologieoptimierung  Leichtbaukarosserie

10) Was ist die Leichtbaugüte? (was ist sie nicht?)

Folien 84,85,86

Verhältnis der Karosserie-Masse zur Torsionssteifigkeit und zur Aufstandsfläche Je kleiner desto besser Verhältnis von Karosseriemasse

LT =

m RK

zur Torsionssteifigkeit

CT und Aufstnadsfläche A

m RK C T∗ A

 Kleiner wert gut bei : o o

kleiner Masse Großer Steifigkeit

o Großer Aufstandsfläche Gibt relative Leichtigkeit im verhältnis zur gleichen Fahrzeugklasse an. 11) Welche Konstruktionsbauweisen kennen Sie?

Folien 91

Differenzialbauweise / Integralbauweise / Modulbauweise / Verbundbauweise/ Hybridbauweise 12) Die Faserverbund-Bauweise ist wie folgt gekennzeichnet Folien 96,110-115 a. FVK-Bauteile dürfen nicht in die Serien-Lackierung.(erst nach dem Einbrennen der Lackierung montiert werden 13) Der Gewichtsanteil der Karosserie beträgt ca. a. 40%

Folien 117

14) Die Gitterrohr-Raumenbauweise gehört zur Bauform a. Nichtselbsttragende Karosserie

Folien 120

15) Beschreiben Sie eine Leichtbau Karosserie-Bauweise!

Folien 120 ff.

Die nicht selbsttragende Karosserie ist die ältere Form des Fahrzeugaufbaus. Sie baut auf dem Rahmen oder Chassis des Fahrzeuges auf. Die ersten Karosserien bestanden aus Holz und wurden zum Schutz der Insassen auf diesen Rahmen aufgeschraubt. Ein Wort zum Unterschied zwischen Fahrwerk und Fahrgestell. z.B. Gitterrohrrahmen Plattformrahmen

zu:

Gesamt 40

3. Werkstoff Teil 1

15 Fragen

1. Nennen Sie Prinzipien des Leichtbau-Werkstoffs

Folien 9,10

Ersetzen von Werkstoffen mit besseren spezifischen Eigenschaften (hohe Gütekennzahlen) z.B. Dichte / Elastizitäts-Streckgrenze / Bruch-Zugfestigkeit / Dauerfestigkeit / Bruchdehnung / EModul / Steifigkeit / Korrosionsbeständigkeit Geringe Streuung der Kennwerte => Bauteil muss nicht überdimensioniert werden Nutzung spezifischer Eigenschaften z.B. Anisotropie (höhere Festigkeit in einer Richtung) / Korrosionsbeständigkeit(kein zusätzlicher Lack) 2. Nennen Sie mir die Dichte von 4 Leichtbau-Werkstoffen und deren Festigkeit

Folien 14,15

(Dichte in g/cm³ /Rm in MPa / E-Modul in GPa) Al 2,7/500/80 Mg 1,7/350/45 FVK 0,9-1,4/25-160/1-3 CFK 1,5/180N/mm² Zwischen 0,6 und 2,06% Kohlenstoffgehalt 5) Nennen Sie mehr als drei hochfeste Stahlsorten!

Folien 56,57

Höherfeste austenitische Stähle (Edelstähle) DP-(DualPhasen)/ TRIP (Transformation InducedPlasticity)-/ CP(ComplexPhasen)-/MS-/Bor-Stähle 6) Was ist senkrechte Anisotropie?

Folien 59,60,61,75

Beschreibt den Widerstand des Werkstücks bzg. Breitenabnahme bzw. Ausdünnung hoher r-Wert begünstigt tiefzieheigenschaften

7) Was sind IF-Stähle?

Folien 65,66

Interstitial Free (hat nur sehr geringe Gehalte an interstitiell eingelagerten Legierungselementen wie Kohlenstoff oder Stickstoff. IF-Stähle sind sehr weich und haben sehr gute Umformeigenschaften) Höhere Festigkeit durch zulegieren von Mangan / Silizium / Phosphor zur Ferritmatrix Ziehteile mit höherer Streck- und Tiefziehbeanspruchung im Automobilbau 8) Was zeichnet Isotrope Stähle aus? Besonders günstige Eigenschaftskombination zum Kaltumformen Isotropie durch Zulegieren von 0,01 % - 0,04 % Ti besonderes, richtungsunabhängiges Umformverhalten Gleichmäßiges Fließen beim Tiefziehen Vermeidung unerwünschter Zipfelbildung Vermeidung ungleicher Wanddicken

Folien 72,73,74,76

9) Die Besonderheiten von „Bake Hardening Stählen“ sind: 1) Beim Lackieren wird der Werkstoff fester 2) Er ist generell hart und spröde 3) Er lässt sich gut umformen 4) Beschreiben Sie den „Bake-Hardening-Effekt (Prozess)!

Folien 79,80,81

Folien 81,83,90

Gute (Kalt-) Umformbarkeit Steigerung der Dehngrenzsteigerung von ca. 40 Mpa durch Lackeinbrennen(170° ca.20min), da interstitiell gelöster Kohlenstoff diffundiert und blockiert die Versetzungen 5) Folgende Stähle gehören zu den Mehrphasenstählen: 1) Dualphasen-Stähle 2) Mikrolegierte 3) TRIP-Stähle 4) Was bedeutet die Bezeichnung „TRIP“-Stahl?

Folien 84,94,95

Folien 101,102,103

Transformation InducedPlasticity a. Beschreiben Sie den besonderen Effekt! Verfestigung durch plastische Verformung (Restaustenitbestandteile wandeln sich bei Verformung in harten Martensit um.) 5) Nennen Sie 4 typische Karosserie-Bauteile aus Mehrphasenstahl

Folien 105 – 112

Verstärkung der B-Säule / Seitenaufprallträger in Türen / Schottblech Motorträger / Verstärkung ASäule bei Cabrio 6) Nennen Sie eine Herausforderung bei hochfesten Stählen

Folien 117 – 123

Rückfederungen nach Umformen / Abrasiver Verschleiß / Zinkabrieb / Faltenbildung / AußenhautVerformung 7) Welche Vor- und Nachteile kennen Sie bei Leichtbauwerkstoffen aus Nachwachsenden Rohstoffen

Folien 144 - 147

Vorteile: CO2-Neutralität / unabhängig vom Ölpreis / gute mechanische Eigenschaften / Gewichtreduzierungspotenzial / gute Energieabsorption (Crash) / splitterfreies Versagen / Schonung der fossilen Rohstoffe Nachteile: Ungleichmäßigkeit der Faserqualität und Fasereigenschaften / Geringe Temperaturstabilität / Bauteilgeometrie begrenzt

Gesamt 50

5. Technologie 1

10 Fragen

1) Beschreiben Sie das Niederdruck Kokillen-Gießen! Folien 16,18,19 - Schmelze wird durch Gasdruckbeaufschlagung des Warmhalteofens über Steigrohr oder eine Verteilerbox programmier- und steuerbar in die Kokille aus Stahl oder Gusseisen verbracht - Nach Einsetzen der Randschalenerstarrung wird der Gasdruck zur Dichtspeisung erhöht, der Speisungsdruck liegt hierbei etwavierzigmal höher als beim Schwerkraftgießen 2) Was wissen Sie vom Druckguss? Folien 21 – 25 - z.Z. das wichtigste Gießverfahren zur Verarbeitung von Aluminium &Magnesium im Fahrzeugbau - flüssige Schmelze wird unter hohem Druck (ca. 10 bis 200 MPa) und mit sehr hoher Geschwindigkeit ( 20 kg CO2 Äqu Deferens 14 kg

4

Warum können leichte Werkstoffe ungeeignet für ein umweltgerechtes Fahrzeug sein? (Folien 20 – 24) Aufgrund von energieaufwendiger Herstellung oder schlechter Recycling Möglichkeiten Was ist eine Ökobilanz? (Folien 29 – 34)

5

Alle Punkte des Lebenszyklus werden betrachtet Rohstoffgewinnung Herstellung Vorprodukt Produkt-Fertigung Fahrzeug Nutzung Entsorgung Verwertung 6

Warum ist die Ökobilanz (LCA) bei CFK nicht immer gleich? (Folien 47,48,49) CFK braucht sehr viel Energie in der Rohstoffgewinnung Wird die Energie CO2 Neutral erzeugt ist die Ökobilanz besser

7

Was bedeutet der Minderverbrauchsfaktor? (Folien 57,58,59,61) Rechnerischer Wert zur beurteilung der Sekundäreffekte Kraftstoffeinsparung: Minderverbrauch pro 100kg eingespartem Gewicht Darstellung der Differenz des Kraftstoffverbrauchs des betreffenden Werkstoff zum Referenzwert

Minderverbrauch = Gewichtsdifferenz x MVF Gewichtsdifferenz= Gewicht Bauteil1 – Gewicht Referenzbauteil 8

Warum kann CFK sehr unterschiedliche Ökobilanzen haben? (Folien 70,71,72,73)

Das Recycling muss mit betrachtet werden

9

Worin liegt das größte Problem bei der Herstellung von Mg? Und warum? (Folien 78,79,80,82) Zur Verarbeitung wird eine Schutzatmosphäre aus Schwefelhexafluorid (SF6) benötigt SF6 ist ein 23.900 mal wirksameres Treibhaus gas als CO2

10

Warum sind warmumgeformte Stähle umweltfreundlicher als konventionell hergestellter, obwohl er (Folien 86,87,88,89) Da 20% weniger Stahl benötigt werden ist die gesamt Bilanz besser Gesamt 35

9- Trends

2 Fragen

1)

Welches sind die Trends bei den Rahmenbedingungen für den Fahrzeug-Leichtbau?

3

Folien 11,12

Energieverknappung schärfere Umweltgesetzgebungen bezüglich der Schadstoffemissionen Elektromobilität  Reichweite 2) Welcher Leichtbau-Werkstoff wird auf die nächsten 10 Jahre der wichtigste bleiben?

1

Folien 25,46,4

4

Gesamt 5

2

Folien ff.

Hochfester Stahl und besonders Aluminium

10- Beispiele (Leichtbau-Projekte) 1 Frage 1) Nennen Sie drei besondere Eigenschaften von einem der vorgestellten Projekte

Alfa Romeo 4C Carbon Monocoque aus Karbon Die Beplankung des Rohbaus besteht unter anderem aus SMC-Elementen (Sheet Molding Compound glasfaserverstärkter Kunststoff), der rund 35 Prozent leichter ist, als herkömmliche Stahlbleche. An das Monocoque werden der vordere und der hintere Hilfsrahmen aus Aluminium für die Aufnahme von Antrieb und Achsen angeflanscht.

Gesamt ca 10...