1 MOTIVATION ZUR ENTWICKLUNG EINER NEUARTIGEN, ADAPTIERBAREN
VORDERWAGENSTRUKTUR ......................................... 13
1.1 Ausgangssituation und globale Rahmenbedingungen ........ 13
1.2 Wachsende fahrzeugstrukturelle Herausforderungen ....... 14
1.3 Methodischer Ansatz zur Entwicklung eines "Advanced
Conversion Design" im Bereich der Vorderwagenstruktur .. 16
2 ANFORDERUNGSDEFINITION UND TECHNOLOGISCHER LÖSUNGSANSATZ
FÜR DIE ENTWICKLUNG EINER NEUARTIGEN FAHRZEUG-
FRONTSTRUKTUR ............................................... 19
2.1 Übersicht Ober relevante Gesetze und Regularien ........ 19
2.1.1 Vorschriften zum Insassenschutz ................. 19
2.1.2 Verbraucherschutztests zum Insassenschutz ....... 24
2.1.3 Fußgängerschutzanforderungen .................... 27
2.2 Diskussion unterschiedlicher Auslegungsstrategien und
Auswahl von Schwerpunktanforderungen für das
neuartige Vorderwagen-konzept .......................... 27
2.2.1 Auslegungsstrategien und Anforderungen an
Vorderwagenstrukturen ........................... 28
2.2.1.1 Auslegungsstrategien und Anforderungen
im Hinblick auf das Strukturverhalten
beim Crash ............................. 29
2.2.1.2 Auslegungsstrategien und
Anforderungen bezüglich der
strukturellen
Vorderwageneigenschaften ............... 34
2.2.1.3 Auslegungsstrategien und
Anforderungen bezüglich der
gewählten Antriebsarchitektur .......... 36
2.2.1.4 Auslegungsstrategien und
Anforderungen bezüglich des
Struktur-gewichts ...................... 37
2.2.1.5 Auslegungsstrategien und
Anforderungen bezüglich Reparatur
und Montage ............................ 38
3 ANALYSE UND BEWERTUNG UNTERSCHIEDLICHER
ENERGIEABSORPTIONSMECHANISMEN IN HEUTIGEN SERIENFAHRZEUGEN
UND IN DER FORSCHUNG ........................................ 40
3.1 Anforderungen und Kriterien für energieabsorbierende
Strukturen im Vorder wagen ............................. 40
3.2 Energieabsorption durch Faltenbeulen ................... 43
3.3 Energieabsorption durch Stulpen und rollende Biegung ... 47
3.4 Energieabsorption durch Verjüngung oder Aufweiten
von Rohren ............................................. 50
3.5 Energieabsorption durch Aufschneiden von
Profilstrukturen ....................................... 54
3.6 Energieabsorption durch Zerspanungs-, bzw.
Abschälvorgänge ........................................ 56
3.7 Energieabsorption durch Crushing von
Faserverbundcrashelementen ............................. 59
3.8 Vergleich und Bewertung der beschriebenen
Energieabsorptionsmechanismen .......................... 66
4 GRUNDLAGENUNTERSUCHUNGEN ZUR ZERSPANUNG ALS ENERGIE-
ABSORPTIONSPRINZIP .......................................... 72
4.1 Grundlagen der Zerspanung .............................. 72
4.1.1 Der Zerspanungsvorgang .......................... 73
4.1.2 Zerspanungskräfte und ihre Einflussgrößen ....... 76
4.1.3 Berechnungsverfahren zur Vorausbestimmung der
Kräfte .......................................... 79
4.1.4 Energieumsatz und Wärmeverteilung beim
Zerspanen ....................................... 81
4.2 Versuche zu Zerspanungs-Energieabsorbern ............... 82
4.2.1 Entwicklung einer ersten Versuchsgeometrie
eines Zerspanungsabsorbers ...................... 83
4.2.2 Quasi-statische Zerspanungsversuche ............. 84
4.2.2.1 Ergebnisse der Vorversuchsreihe ........ 85
4.2.2.2 Beschreibung der Versuchsvarianten ..... 86
4.2.2.3 Ergebnisse der Versuche bei quasi-
statischer Geschwindigkeit ............. 88
4.2.3 Zerspanungsversuche bei langsamer
Geschwindigkeit ................................. 92
4.2.3.1 Beschreibung der Versuchsvarianten ..... 92
4.2.3.2 Ergebnisse der Versuchsreihen bei
langsamer Geschwindigkeit .............. 94
4.2.3.3 Bestimmung der spezifischen
Schnittkraft und Vergleich mit
Berech-nungsmodellen ................... 98
5 ENTWICKLUNG EINER NEUARTIGEN, ADAPTIERBAREN VORDER-
WAGENSTRUKTUR .............................................. 101
5.1 Analyse von Vorderwagenstrukturen unterschiedlicher
Serien- und Forschungsfahrzeuge ....................... 102
5.1.1 Großserienvorderwagenstruktur des Golf
V/VI ........................................... 102
5.1.2 Vorderwagenstruktur des EU-SuperLIGHT-CAR-
Konzepts ....................................... 104
5.1.3 Vorderwagen des A udi R8 Sportwagens ........... 105
5.1.4 Vorderwagen des Audi A8 Modelljahr 2002 ƒƒ
(D3) ........................................... 106
5.1.5 Vorderwagen der BMW 7er-Reihe Modelljahr
2008 ƒƒ ....................................... 107
5.1.6 Vorderwagen des FutureSteelVehicle (FSV)-
Konzepts ....................................... 109
5.1.7 Erkenntnisse aus den Analysen für die
eigenen Vorderwagenentwicklung ................. 110
5.2 Vorüberlegungen zu einer einfach adaptierbaren
Vorderwagenstruktur ................................... 112
5.2.1 Erarbeitung und Festlegung von Zielgrößen
für die einfach adaptierbaren Crashkräfte ...... 112
5.2.1.1 Minimalkräfte für die
Energieabsorption ..................... 114
5.2.1.2 Maximalkräfte für die
Energieabsorption ..................... 116
5.2.1.3 Gewählte Kraftstufen .................. 117
5.2.2 Weiterentwicklung des Crashabsorberkonzeptes ... 118
5.2.3 Konzept zur Erfüllung der strukturellen
Anforderungen .................................. 121
5.2.4 Implementierung des Zerspanungsprinzips in
die numerische Simulation mit LS-Dyna .......... 123
5.2.4.1 Simulation der Zerspanungskräfte
durch Reibkräfte ..................... 124
5.2.4.2 Simulation der Zerspanungskräfte
durch Federn ......................... 125
5.3 Konstruktive Gestaltung und Auslegung einer einfach
adaptierbaren Vorderwagenstruktur ..................... 128
5.3.1 Randbedingungen für den simulatorischen
Nachweis der Vorderwagen-eigenschaften ......... 130
5.3.2 Ergebnisse der Vorderwagensimulation ........... 133
5.4 Ergebnisse der für die einfach adaptierbare
Vorderwagenstruktur relevanten Komponenten- und
Vorderwagenversuche ................................... 135
5.4.1 Zerspanungsversuche bei höheren,
fahrzeugrelevanten Geschwindigkeiten ........... 135
5.4.1.1 Prüfsystematik und Versuchsaufbau ..... 136
5.4.1.2 Ergebnisse der Versuche bei höheren
Geschwindigkeiten ..................... 138
5.4.2 Zerspanungsversuche bei schrägen
Lastrichtungen ................................. 145
5.4.2.1 Prüfsystematik und Versuchsaufbau ..... 145
5.4.2.2 Ergebnisse der Versuche bei schrägen
Lastrichtungen ........................ 147
5.4.3 Crashversuch mit einer vereinfachten
Vorderwagenstruktur ............................ 154
5.5 Nachweis der Crashadaptivität des Vorder Wagens
und Entwicklungs-perspektiven für eine zukünftig
aktive adaptive Struktur .............................. 157
5.5.1 Bewertung der einfachen Adaptierbarkeit in
der numerischen Simulation ..................... 157
5.5.2 Konzept zur Umsetzung der einfachen Anpassung
der Crashkennungen im Fahrzeugmontageprozess
und in der Reparatur ........................... 159
5.5.3 Perspektiven zur Weiterentwicklung zu einem
aktiven Crashabsorbersystem .................... 161
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................... 164
7 LITERATURVERZEICHNIS ....................................... 167
ANHANG .......................................................... I
ANHANG A BERECHNUNGSVERFAHREN ZERSPANUNG ...................... II
Schnittkraftberechnung nach Dubbel .......................... II
Schnittkraftberechnung nach Pauksch ........................ III
Schnittkraftberechnung nach Tschätsch ........................ V
ANHANG В VERSUCHSDATEN ZERSPANUNG ............................ VII
Quasi-statische Versuche ................................... VII
Versuche mit niedriger Geschwindigkeit ..................... XIX
Berechnung der Zerspankräfte für Versuchsreihe
V09, V11 und V12 ........................................... XXV
Versuche mit höheren Geschwindigkeiten .................... XXXI
ANHANG С SIMULATIONS- UND VERSUCHSERGEBNISSE VORDERWAGEN ... XLIII
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