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Alt 06.04.2011, 13:30     #6
Martin   Martin ist offline
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Intelligenter Leichtbau als Entwicklungsprinzip für Efficient Dynamics: Neue Perspektiven zur Gewichtsoptimierung.


Dank Efficient Dynamics gelingt es der BMW Group, die Verbrauchs- und Emissionswerte aktueller und zukünftiger Modelle kontinuierlich zu senken und dabei zugleich den durch Dynamik und Agilität gekennzeichneten Fahrspaß weiter zu steigern. Darüber hinaus werden auch zusätzliche Anforderungen zum Beispiel an die aktive und passive Sicherheit sowie an den Fahrkomfort berücksichtigt. Bei der Auflösung des Zielkonflikts zwischen den vielfältigen Ansprüchen an Fahrzeuge des Premium-Segments und dem Streben nach maximaler Effizienz spielt neben der Wirkungsgradoptimierung im Antriebssystem vor allem die Gewichtsoptimierung eine zentrale Rolle. Das Konzept des intelligenten Leichtbaus schafft ideale Voraussetzungen, um den unverwechselbaren Charakter eines BMW oder MINI Modells bei einem möglichst geringen Fahrzeuggewicht zu realisieren.

Das Prinzip des intelligenten Leichtbaus kommt in allen Bereichen der Automobilentwicklung - vom Karosserie- und Motorenbau über die Fahrwerkstechnik bis zur Innenraumgestaltung - zum Tragen und wird konsequent verfolgt. Bereits in der Vorentwicklungsphase hat die BMW Group einen Prozessschritt etabliert, der innovative Ideen für alternative Materialien oder Konstruktionsweisen generiert, mit denen sich das Gewicht eines Fahrzeugs optimieren lässt. Innovative Fertigungsverfahren erweitern die Spannbreite der einsetzbaren Lösungen. Neben neuartigen Metalllegierungen und Kunststoffen, nachwachsenden Rohstoffen und Schäumen werden in zunehmendem Maße auch Verbundwerkstoffe und hybride Werkstoffsysteme genutzt.


Die Anforderungen, die an jede Leichtbau-Lösung gestellt werden, sind anspruchsvoll. Jedes neue Material muss hinsichtlich Funktionalität und Zuverlässigkeit mindestens das Niveau des bisher verwendeten Werkstoffs erreichen und dabei signifikant leichter sein. Zudem werden auch der Herstellungsaufwand einschließlich Energie- und Rohstoffbilanz sowie die Recyclingfähigkeit in die Gesamtbewertung einbezogen. So wurde beispielsweise die Nutzung neuartiger Verbundwerkstoffe erst nach der Entwicklung moderner Recyclingverfahren möglich. Sie stellen sicher, dass auch Werkstoff-Kombinationen nach ihrer Nutzung vollständig wiederverwertet werden können.


Mehr Sicherheit, einzigartige Agilität, optimiertes Gewicht: Innovativer Materialmix im Karosseriebau.

Ein beeindruckendes Beispiel für die Fortschritte, die durch intelligenten Leichtbau bei der Optimierung des Karosseriegewichts erzielt werden können, stellt die neue BMW 5er Reihe dar. Bei der Entwicklung von Limousine und Touring waren gegenüber dem Vorgängermodell deutlich verschärfte Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen, zugleich galt es, die für einen BMW 5er typische Charakteristik hinsichtlich Agilität und Komfort weiter zu schärfen.

Im Vergleich zum Vorgängermodell wurde die mittlere Festigkeit der Karosseriestruktur der neuen BMW 5er Limousine um 55 Prozent gesteigert. Darüber hinaus weist das neue Modell die für BMW typische Gewichtsverteilung im Verhältnis von nahezu 50 : 50 zwischen Vorder- und Hinterachse auf. Die hohe Festigkeit der Karosserie und die harmonische Achslastverteilung gehen mit einem optimierten Gesamtgewicht einher und wirken sich daher positiv sowohl auf die Effizienz als auch auf das agile Fahrverhalten des neuen BMW 5er aus.

Die Auflösung des Zielkonflikts zwischen Crashsicherheit und Komfort auf der einen sowie Gewichtsoptimierung, Agilität und Effizienz auf der anderen Seite wurde durch einen präzise definierten Materialmix erreicht. Der neue BMW 5er verfügt über Türen, vordere Seitenwände und eine Motorhaube aus Aluminium. Allein durch den Einsatz von Aluminium-Türen wurde eine Gewichtsreduzierung im Vergleich zur herkömmlichen Stahlbauweise von 23 Kilogramm je Fahrzeug erzielt. Für die Trägerstrukturen wurde zudem ein gegenüber dem Vorgängermodell deutlich höherer Anteil von warm umgeformtem Stahl genutzt. Diese hochfesten Stahlqualitäten, die einen aufwändigeren Verarbeitungsprozess erfordern, machen es möglich, mit geringerem Materialeinsatz und daher auch mit reduziertem Gewicht höhere Festigkeitsgrade zu realisieren. Durch Fortschritte in der Fertigungstechnik kann der Anteil hochfester Stahlsorten in allen Baureihen mit jeder Modellgeneration weiter erhöht werden. So lassen sich die stetig wachsenden Anforderungen an die Crashsicherheit ohne eine entsprechende Gewichtssteigerung erfüllen.



Optimierter Materialeinsatz in der Carbon-Fertigung.

Beim Einsatz von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) übernimmt BMW bereits heute eine Vorreiterrolle in der Automobilbranche, die mit der für 2013 angekündigten Serienfertigung der Modelle BMW i3 und BMW i8 massiv ausgebaut wird. Beide Modelle verfügen über eine aus CFK gefertigte Fahrgastzelle, die extreme Festigkeit mit einem gegenüber Stahl, aber auch Aluminium erheblich geringerem Gewicht kombiniert. Damit hält der bislang vor allem aus dem Formel-1 -Rennsport und aus der Luftfahrtindustrie bekannte Werkstoff erstmals Einzug in die Großserienproduktion von Automobilen.

Von der innovativen Bauweise werden mittel- und langfristig nicht nur die unter der neuen Submarke von BMW produzierten Modelle profitieren. Im Rahmen der Fertigungsentwicklung für die Fahrgastzellen der Modelle BMW i3 und BMW i8 wurde ein neuartiges Verfahren zur Weiterverarbeitung der beim Zuschnitt der Kohlenstofffasermatten beziehungsweise -gelege anfallenden Schnittreste konzipiert. Diese können künftig zu 100 Prozent für die Produktion weiterer Karosseriekomponenten genutzt werden. Auf diese Weise wird es möglich, auch andere Modellen mit extrem leichten und hochwertigen Carbon-Bauteilen auszustatten. Die Steigerung des Carbon¬Anteils über alle Segmente hinweg wird so zu erheblich geringeren Kosten als bisher möglich.

Die Weiterverarbeitung der Schnittreste erfolgt in einem neu entwickelten Verfahren, in dem Kohlenstofffaser-Fäden unterschiedlicher Länge zu CFK¬Matten in der benötigten Größe verwoben und anschließend auf die gleiche Weise wie das Ursprungsmaterial in Kunstharz getränkt und gehärtet werden. Die Festigkeit des auf diese Weise gewonnenen Werkstoffs liegt um ein Mehrfaches über dem Wert von glasfaserverstärktem Kunststoff. Sie erreicht damit den Festigkeitswert eines herkömmlichen Stahl-Bauteils - bei einem auf weniger als ein Viertel reduzierten Gewicht.

Im Rahmen der Vorentwicklung wurde beispielsweise der Einsatz des weiterverarbeiteten CFK im Prototyp einer Motorhaube für ein BMW M Modell getestet. Die Klappe besteht aus zwei Carbonschichten, die entweder eine Nomex-Kunststoffwabe oder eine aus Recycling-Material bestehende Papierwabe umschließen. Darüber hinaus wurde der Prototyp einer Sitzschale aus dem durch die neue Technik gewonnenen Material gefertigt. Die BMW M GmbH hat bereits umfangreiche Erfahrungen bei der Nutzung von CFK in der Serienentwicklung gesammelt. Aktuell verfügt beispielsweise das BMW M3 Coupe über ein Carbondach.


Weniger Gewicht, geringere Geräuschemissionen: Innovationsschwerpunkt Akustik-Leichtbau im Antriebsbereich.

Mit kontinuierlich steigenden Aluminium-Anteilen und dem Einsatz des nochmals leichteren Magnesiums im Motorenbau hat die BMW Group auch das durchschnittliche Gewicht der Antriebseinheiten in der jüngsten Vergangenheit deutlich reduziert. Darüber hinaus arbeiten die Motorenentwickler an innovativen Komponenten, mit denen sich neben dem Gewicht auch die Geräuschemissionen von Otto- und Dieseltriebwerken weiter reduzieren lassen. Ein Beispiel dafür ist die Akustikkapselung für den Partikelfilter von Dieselmotoren. Sie sorgt für eine sowohl innerhalb als auch außerhalb des Fahrzeugs deutlich wahrnehmbare Senkung des Geräuschniveaus. Dank der wirksamen Kapselung des Partikelfilters kann auf einen Teil der bislang an der Unterbodenverkleidung, der Stirnwand und der Vorderachse eingesetzten Schallisolierungen verzichtet werden, sodass das Gesamtgewicht des Fahrzeugs sinkt. Außerdem hat die neue Ummantelung nicht nur einen akustik-, sondern auch einen wärmeisolierenden Effekt. Ein gekapselter Partikelfilter erreicht nach dem Kaltstart schneller seine optimale Betriebstemperatur. Die neue Konstruktionsweise verbessert somit auch die Haltbarkeit des Abgasnachbehandlungssystems.

Eine weitere Akustik-Leichtbau-Maßnahme kommt an der Motorvorderseite zum Einsatz. Eine schallisolierende Abdeckung des Riementriebs, das sogenannte Motorfrontschott, absorbiert dort die aus dem Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf dringenden, hochfrequenten und daher als unangenehm empfundenen Antriebsgeräusche. Das für das Motorfrontschott genutzte Schaumstoff-Material zeichnet sich durch ein besonders geringes Gewicht und zugleich durch eine ausgeprägte Fähigkeit zur Schallabsorbierung aus.

Für eine unmittelbar an der Geräuschquelle wirkende Schallisolierung sorgt auch die Kapselung der Ölwanne. Vor allem aus Metall gefertigte Ölwannen erweisen sich, angeregt vom Kurbelgehäuse und von der Kurbelwelle, als ideale Resonanzkörper. Dieser unerwünschte Effekt wird nun mit einer aus Faserwerkstoff und einer Formschaumschicht zusammengesetzten Isolierung kompensiert. Aufgrund der gezielten Materialkombination werden die auftretenden Schallemissionen nicht nur wirkungsvoll gedämpft, sondern auch absorbiert.


Fahrwerkskomponenten: Gewicht reduziert, Fahrfreude und Effizienz gesteigert.

Durch eine besonders große Vielfalt und einen direkten positiven Einfluss auf die Fahrfreude zeichnen sich die Leichtbau-Maßnahmen im Bereich des Fahrwerks aus. Jede Reduzierung der ungefederten und besonders der rotierenden Massen wirkt sich unmittelbar auf die Agilität des Fahrzeugs aus. Daher misst die BMW Group der Gewichtsoptimierung im Bereich der Radaufhängung, Radführung und der Bremssysteme eine besonders hohe Bedeutung bei. Mit der bereits seit 1996 erfolgten Einführung von nahezu vollständig aus Aluminium gefertigten Fahrwerken setzt BMW in allen Segmenten Maßstäbe für Agilität und Fahrfreude. Darüber hinaus bietet die gewichtsoptimierte Fahrwerkstechnik ideale Voraussetzungen für eine weiter verbesserte Komfortabstimmung, für kürzere Bremswege und für reduzierte Lasteinträge in den Fahrzeugaufbau.

Zu den bei aktuellen BMW Serienmodellen realisierten Leichtbaumaßnahmen gehören unter anderem die gewichtsoptimierten Antriebswellen mit Stirnverzahnung (Gewichtsreduzierung: 0,8 Kilogramm je Fahrzeug bei Modellen mit BMW xDrive), ein Lenksäulen-Gehäuse aus Magnesium (bis zu 2,0 Kilogramm) sowie ein aus Kunststoff gefertigter Fußhebel-Lagerbock und ein Kunststoff-Kupplungspedal (bis zu 1,5 Kilogramm). Mit einem Stabilisator¬Haltebügel und einer Pendelstütze aus faserverstärktem Kunststoff wird das Fahrzeuggewicht jeweils um 0,4 Kilogramm reduziert. Ein Getriebequerträger aus glasfaserverstärktem Thermoplast ist um 1,0 Kilogramm leichter als das bisher verwendete Aluminium-Bauteil.

Auch für den Einsatz in näherer Zukunft arbeiten die Entwickler der BMW Group im Rahmen eines fahrwerksübergreifenden Vorentwicklungsprojekts an gewichtsoptimierenden Innovationen, mit denen eine weitere Massereduzierung im Umfang von mehr als 20 Kilogramm zu erzielen ist. So befinden sich beispielsweise Tragfedersysteme aus glasfaserverstärktem Kunststoff, die jedes Fahrzeug um bis zu sechs Kilogramm leichter machen, sowie eine besonders gewichtsreduzierte Hochleistungsbremse im Vorentwicklungsstadium. Die aus einem Aluminium-Festsattel und einer Fachwerk-Leichtbau-Bremsscheibe bestehende Konstruktion reduziert das Fahrzeuggewicht um rund 8,0 Kilogramm gegenüber den bereits in Serienfahrzeugen verwendeten Bremsanlagen, bei denen Leichtbau-Bremsscheiben mit Aluminiumtopf und Aluminium-Faustsättel eingesetzt werden.
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Geändert von Martin (07.04.2011 um 13:46 Uhr)
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