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03.08.2007
Bis ans Äußerste
Automobile müssen zahlreiche Tests durchlaufen um sicherzustellen, dass Karosserie, Achsen und Bremsen den täglichen Belastungen standhalten können.
Dass Karosserie, Achsen, Bremsen und Antrieb eines Fahrzeugs in einwandfreiem Zustand sind und problemlos alles mitmachen, ist für viele Autofahrer selbstverständlich. Doch damit ein Fahrzeug und seine Komponenten den täglichen hohen Belastungen standhalten können, ist viel Know-how und Technologie gefragt. Hierfür werden die Automobile in zahlreichen Tests an ihre Grenzen geführt.
Fahrzeuge, egal ob Bahn, Flugzeug oder das Auto, sind im täglichen Betrieb enormen Belastungen ausgesetzt. Doch selbst unter schwierigsten Bedingungen müssen Karosserie, Achsen, Bremsen und Antrieb eines Autos reibungslos funktionieren. Zuständig hierfür ist die Betriebsfestigkeit – die Eigenschaft einer Konstruktion oder eines Bauteils, während des Betriebs bestimmte Belastungen schadensfrei zu ertragen. Sie ist nicht nur entscheidend für die Sicherheit des Fahrers, sondern auch für die Sicherheit aller anderen Verkehrsteilnehmer.
Während der Fahrt kommen auf ein Fahrzeug unterschiedlich intensive Belastungen zu - Betriebslasten, Sonderereignisse und Missbrauch. Betriebslasten sind Belastungen, die während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Fahrzeugs kontinuierlich auftreten. Sonderereignisse, wie beispielsweise die Fahrt über ein tiefes Schlagloch, sind Vorgänge geringer Häufigkeit, die aber weder zu einer Funktionsbeeinträchtigung noch zu sicherheitsrelevanten Schädigungen oder zu einer Reduzierung der vorgesehenen Nutzungsdauer führen dürfen. Anders ist es beim Missbrauch des Fahrzeugs, gemeint ist hier zum Beispiel das Überfahren eines großen Hindernisses. Hier werden in der Regel zwangsläufig Schäden am Fahrzeug verursacht. Für den Fahrer ist es dann wichtig, zu erkennen, ob eine Beschädigung vorliegt, z.B. durch ein schief stehendes Lenkrad. Die Komponenten und Systeme des Autos müssen also so ausgelegt werden, dass durch ein definiertes Schadensbild eindeutig ersichtlich ist, wenn das Fahrzeug nicht mehr einsatzfähig ist.
Doch welche Faktoren beeinflussen nun die Betriebsfestigkeit eines Fahrzeugs? Neben den ganz alltäglichen Belastungen spielen natürlich auch Geometrie, Werkstoffe und das Fertigungsverfahren eines Bauteils eine wichtige Rolle. Zudem haben Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit einen ebenso großen Einfluss. Prof. Dr. Rudolf C. Stauber, Hauptabteilungsleiter Betriebsfestigkeit und Werkstoffe bei der BMW Group erklärt: „Leichtbau, optimale Ausnutzung des Werkstoffes, Sicherstellung der Qualität und viele weitere Faktoren haben die Anforderungen an die Betriebsfestigkeit und insbesondere die Bedeutung der rechnerischen Lebensdauervorhersage in den letzten Jahren wesentlich gehoben.“ Hinzu kommen die ständig steigende Typenvielfalt bei Fahrzeugen sowie deren zunehmende Komplexität bei sich gleichzeitig verkürzenden Entwicklungszeiten.
Bei der Entwicklung der Autos geht man immer mehr an die Belastungsgrenze der stets noch leichter werdenden Fahrzeugkomponenten. Prof. Dr. Rudolf Stauber ergänzt dazu: „Auch der weltweite Fahrzeugeinsatz und Vertrieb ist eine Herausforderung. Schließlich bauen wir unsere Fahrzeuge nicht nur für den deutschen Markt, sondern für Kunden in der ganzen Welt. Das heißt, die Fahrzeuge müssen bei allen Straßenbedingungen betriebsfest sein – ob in China, Südamerika oder Europa.“
 
Experimentierfreudig
Der Entwicklungsprozess bei der Betriebsfestigkeit gliedert sich in den Auslegungs- und den Absicherungsprozess. Während in der Auslegungsphase die Lastannahmen festgelegt werden, steht bei der darauf folgenden Absicherungsphase die experimentelle Erprobung der Prototypen und Entwicklungsbaugruppen im Vordergrund.
In der frühen Auslegungsphase spielt die numerische Simulation eine wichtige Rolle: Während der virtuellen Fahrbetriebsmessung fährt das Fahrzeug über vermessene und digitalisierte, reale Straßenabschnitte. So können bereits sehr früh maximale Fahrzeugbelastungen ermittelt und die abgeleiteten Radkräfte mit Messungen vom Vorgängermodell ergänzt werden. Sobald in der Auslegungsphase die ersten Achsen vorliegen und die Steifigkeit der Karosserie feststeht, wird ein spezielles „Fahrzeug-Beanspruchungs-Analysefahrzeug“, kurz FABEAN aufgebaut. Mit entsprechenden Trimmgewichten bestückt und unterschiedlichen Motoren und Achsen ausgestattet, kann der FABEAN wahlweise ein Modell der BMW 7er Baureihe oder auch einen MINI simulieren, schon lange bevor es den ersten Prototypen gibt. Der FABEAN ermittelt die während der Fahrt auftretenden Lasten. Darüber hinaus werden die errechneten Lastprognosen verifiziert. Aus diesen Messdaten werden dann die Anforderungen zur Auslegung der Komponenten und die Ansteuerdaten für die Betriebsfestigkeitsversuche auf den Prüfständen abgeleitet.
Durch die numerische Simulation gewinnt die Betriebsfestigkeit bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt Daten, die Prognosen zulassen, ob und wie lange die Bauteile einer Belastung standhalten werden. So entfallen zeit- und kostenintensive Versuchsschleifen.
Besonders hohe Bedeutung für die Haltbarkeit der Karosserie haben generell die Schweißpunkte. Hoch belastete Schweißpunkte, so genannte Hot Spots, müssen im Entwicklungsprozess erkannt und durch verbesserte Konstruktion entlastet werden. Um die insgesamt ca. 5.500 Schweißpunkte eines Fahrzeugs schnell und zuverlässig zu bewerten, kommt bei der BMW Group eine Methode zum Einsatz, die automatisch erzeugte Schweißpunktmodelle mit einem genauen Auswerteverfahren kombiniert. So kann die Prognosegeschwindigkeit bei höherer Aussagesicherheit deutlich gesteigert werden.
Voraussetzung für die Freigabe von Sicherheitsbauteilen ist aber immer der experimentelle Nachweis der Betriebsfestigkeit. Diese Versuche erfordern spezielle System- und Komponentenprüfstände, die die komplexen Belastungszustände des realen Fahrbetriebs nachbilden können. Mit einer speziellen Iterationssoftware wird die Ansteuerung des Prüfstandes schrittweise optimiert, bis die in den Achs- und Karosseriebauteilen erzeugten Lasten denen des Fahrzeugs entsprechen. Ein Beispiel für einen komplexen Systemprüfstand ist der Mehrkomponentenprüfstand für Karosserien, wie Prof. Dr. Rudolf Stauber erläutert: „Dieser Prüfstand erzeugt mittels spezifischer Ansteuerprogramme in ca. drei Wochen die Belastungen, die einem normalen Fahrbetrieb von mehr als 300.000 km entsprechen.“
Erst wenn diese Versuche den Nachweis erbracht haben, dass alle Komponenten und Systeme die Betriebsfestigkeitsanforderungen erfüllen, wird die Freigabe für den Kundenbetrieb empfohlen. Die endgültige Bestätigung erfolgt anschließend im Gesamtfahrzeugversuch auf diversen Erprobungsstrecken.
Bei der BMW Group beschäftigt man sich inzwischen seit 40 Jahren mit dem Thema Betriebsfestigkeit. „In dieser Zeit hat sich natürlich einiges getan, die Betriebsfestigkeit hat mit immer leichteren Fahrzeugen und dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt immer mehr an Bedeutung gewonnen und wird auch künftig eines der wichtigsten Themen in der Fahrzeugentwicklung sein,“ so Prof. Dr. Rudolf Stauber. Neue Materialien, neue Anforderungen an Belastbarkeit und Leichtbau verbunden mit schnelleren Entwicklungsschritten werden die Ingenieure also auch in Zukunft vor neue und spannende Herausforderungen stellen. So wird die Bedeutung der Betriebsfestigkeitsprüfung für die Fahrzeugentwicklung weiter zunehmen.
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