1. Die Bedeutung der Leichtbautechnologie
Fahrwerksteile für Kraftfahrzeuge sind Schlüsselkomponenten, die die Bewegung des Fahrzeugs unterstützen, das Körpergewicht tragen und für Fahrstabilität und Sicherheit sorgen. Traditionell werden für Fahrwerkskomponenten wie Rahmen, Aufhängungssysteme, Lenksysteme usw. meist hochfeste Materialien wie Stahl oder Gusseisen verwendet. Obwohl diese Materialien eine gute Festigkeit und Haltbarkeit aufweisen, machen sie das Fahrzeug auch schwerer. Mit dem zunehmenden Trend zu Leichtbaufahrzeugen ist die Reduzierung des Gewichts von Fahrwerkskomponenten zum Schlüssel zur Verbesserung der Fahrzeugleistung sowie zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung geworden.

Der Einsatz der Leichtbautechnologie hat mehrere wesentliche Vorteile:

Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen: Durch die Reduzierung des Gewichts der Fahrzeugkarosserie wird die Belastung des Motors direkt reduziert, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die Kohlendioxidemissionen sinken und so zur Einhaltung immer strengerer Umweltvorschriften beigetragen wird.

Verbesserte Fahrleistung und Fahrstabilität: Durch die Reduzierung des Fahrgestellgewichts können das Fahrverhalten und die Stabilität des Fahrzeugs effektiv verbessert werden, wodurch das Fahrzeug insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und Kurvenfahrten reaktionsschneller wird.

Erhöhter Komfort: Leichte Fahrwerkskomponenten tragen dazu bei, Karosserievibrationen zu reduzieren und den Fahrzeugkomfort zu verbessern. Insbesondere durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien im Federungssystem lässt sich die Fahrstabilität wirkungsvoll verbessern.

Längere Komponentenlebensdauer: Leichtbaukonstruktionen erfordern häufig den Einsatz von Hochleistungsmaterialien mit hoher Festigkeit, die nicht nur das Gewicht reduzieren, sondern auch die Haltbarkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Komponenten verbessern.

2. Umsetzungspfad der Leichtbautechnologie
Durch die Umsetzung der Leichtbautechnologie wird vor allem die Masse der Fahrwerkskomponenten reduziert, um deren Festigkeit, Steifigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Der Weg zum Leichtbau umfasst vor allem folgende Aspekte:

Strukturoptimierungsdesign
Bei der Strukturoptimierung werden Werkzeuge wie computergestütztes Design (CAD) und Finite-Elemente-Analyse (FEA) verwendet, um die sinnvollste Struktur mit der geringsten Menge an Materialien zu entwerfen und gleichzeitig die Leistungsanforderungen der Fahrwerkskomponenten sicherzustellen. Durch genaue Berechnung und Simulation wird unnötiger Materialeinsatz reduziert und die Festigkeit und Steifigkeit von Bauteilen verbessert. Zu den gängigen Entwurfsmethoden zur Strukturoptimierung gehören Gitterentwurf, Topologieoptimierung und Größenoptimierung.

Verwenden Sie hochfeste Materialien
Hochfester Stahl (HSS) und ultrahochfester Stahl (UHSS) sind gängige Leichtbaumaterialien, die eine geringe Dichte aufweisen und gleichzeitig eine hohe Festigkeit gewährleisten. Durch den Einsatz dieser hochfesten Stähle ist eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Sicherstellung der Festigkeitsanforderungen der Fahrwerkskomponenten möglich. Besonders häufig werden sie in Strukturteilen des Rahmens und der Karosserie eingesetzt.

Anwendungen aus Aluminiumlegierungen
Aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften werden Aluminiumlegierungen häufig in Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge verwendet. Die Dichte von Aluminium beträgt etwa ein Drittel der von Stahl. Es verfügt über eine gute Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und eignet sich für den Einsatz in Aufhängungssystemen, Rädern, Tragrahmen und anderen Komponenten. Darüber hinaus können Aluminiumlegierungen ihre Festigkeit durch Wärmebehandlung und andere Prozesse erhöhen, um sicherzustellen, dass die Sicherheit nicht beeinträchtigt wird.

Anwendungen von Verbundwerkstoffen
In den letzten Jahren wurden nach und nach Materialien wie kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) und glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (GFK) in Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Kohlefasermaterial hat sich aufgrund seines extrem geringen Gewichts und seiner hervorragenden Zugfestigkeit zu einem idealen Material für den Leichtbau entwickelt, insbesondere in Rennwagen und Hochleistungsfahrzeugen. Verbundwerkstoffe bieten nicht nur erhebliche Gewichtseinsparungen, sondern erhöhen auch die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Verbundwerkstoffe sind teurer und haben sich in Fahrzeugen für den Massenmarkt noch nicht durchgesetzt.

Hergestellt aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung und einer Titanlegierung
Aluminium-Magnesium-Legierungen und Titanlegierungen sind Materialien, die in den letzten Jahren schrittweise in High-End-Modellen gefördert wurden. Diese Legierungsmaterialien sind leichter als Aluminiumlegierungen und weisen eine bessere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Sie werden nach und nach in einigen Hochleistungsfahrwerkskomponenten wie Lenksystemen, Aufhängungssystemen und Bremssystemen eingesetzt.

3. Anwendungsbeispiele der Leichtbautechnik
Aufhängungssystem
Das Federungssystem ist eine der kritischsten Komponenten im Fahrgestell eines Autos und wirkt sich direkt auf Fahrstabilität und Komfort aus. Durch die Leichtbauweise des Aufhängungssystems kann das Gewicht des Fahrzeugs wirksam reduziert und die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs unter verschiedenen Straßenbedingungen gewährleistet werden. Derzeit werden Aluminiumlegierungen und hochfester Stahl häufig in der Struktur von Aufhängungssystemen verwendet, insbesondere in Komponenten wie unteren Querlenkern, Aufhängungshalterungen und Federsitzen. Durch die Verwendung einer Aluminiumlegierung kann das Gewicht des Fahrzeugaufhängungssystems um etwa 15 bis 20 % reduziert werden.

Rahmen und Fahrgestellrahmen
Der Rahmen ist die Grundstruktur, die den gesamten Körper und das Antriebssystem trägt. Herkömmliche Rahmen bestehen hauptsächlich aus Stahl, doch mittlerweile verwenden immer mehr Modelle hochfeste Stahl- und Aluminiumlegierungen, um das Gewicht des Rahmens zu reduzieren. Die Rahmen einiger High-End-Autos und SUVs verwenden mittlerweile Aluminiumlegierungsmaterialien, um Leichtbaueffekte zu erzielen. Durch die Verwendung von Aluminiumlegierungsmaterialien kann das Gewicht des Rahmens um 20 bis 30 % reduziert werden.

Lenksystem
Das Lenksystem ist eine Schlüsselkomponente für die Fahrstabilität und Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs. Das Lenksystem mit leichten Materialien und optimiertem Design kann die Trägheit des Fahrzeugs effektiv reduzieren und die Steuerungsgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit verbessern. Viele Hochleistungsfahrzeuge und Elektrofahrzeuge haben damit begonnen, Aluminiumlegierungen und Kunststoffverbundwerkstoffe zur Herstellung von Lenksystemkomponenten zu verwenden, wodurch das Gewicht weiter reduziert und das Systemverhalten verbessert wird.

Bremssystem
Als zentraler Bestandteil der Fahrzeugsicherheit trägt das geringe Gewicht des Bremssystems nicht nur zur Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs bei, sondern verbessert auch die Bremseffizienz. Viele Hochleistungsmodelle verwenden Carbon-Keramik-Bremsscheiben, ein Material, das leichter und hitzebeständiger als herkömmliche Stahlscheiben ist und für besseres Bremsen bei hohen Geschwindigkeiten sorgt.

4. Herausforderungen und zukünftige Entwicklung der Leichtbautechnologie
Obwohl die Leichtbautechnologie bei Fahrwerkskomponenten für Kraftfahrzeuge erhebliche Fortschritte gemacht hat, gibt es immer noch einige Herausforderungen:

Kostenfrage
Obwohl Hochleistungsmaterialien (wie Kohlefaser, Titanlegierung usw.) hervorragende Leichtbaueffekte haben, sind ihre Herstellungskosten hoch. Dies schränkt die Popularität der Leichtbautechnologie bis zu einem gewissen Grad ein, insbesondere wenn es schwierig ist, sie in preisgünstigen Modellen anzuwenden.

Herstellungsprozess
Die Verarbeitungstechnologie von Leichtbaumaterialien ist relativ komplex und erfordert neue Fertigungstechnologien und Geräteunterstützung. Der Umformprozess von Kohlefasermaterialien erfordert eine Hochtemperatur- und Hochdruckverarbeitungsumgebung, und auch die Schweißtechnologie von Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen weist gewisse technische Schwierigkeiten auf. Diese Prozessanforderungen stellen höhere Anforderungen an die technischen Möglichkeiten und Produktionsanlagen der Automobilhersteller.

Sicherheitsprobleme
Leicht zu sein bedeutet nicht, auf Sicherheit zu verzichten. Obwohl neue Leichtbaumaterialien eine höhere Festigkeit aufweisen, besteht im Vergleich zu herkömmlichen Materialien immer noch eine Lücke zwischen ihrer Schlagfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Daher ist die Aufrechterhaltung oder Verbesserung der Sicherheit bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung eine wichtige Herausforderung beim Leichtbau im Automobil.