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Kategorie: Technik 02.07.2010
Mobilität der Zukunft: Leichtbau und LifeDrive Concept
BMW Innovationstage 2010: Neue Karosseriekonzepte für die Herausforderungen einer neuen Mobilität.
BMW Innovationstage 2010: Neue Karosseriekonzepte für die Herausforderungen einer neuen Mobilität.
Ein Fahrzeug elektrisch zu betreiben, bedeutet nicht nur, den Verbrennungsmotor durch einen E-Antrieb zu ersetzen. Die Elektrifizierung eines Fahrzeugs geht mit aufwändigen Überarbeitungen in der gesamten Karosserie einher, da die elektrischen Antriebskomponenten völlig neue Anforderungen an die Bauräume in einem Fahrzeug stellen. Die Entwicklungsarbeit an den Projekten MINI E und BMW Concept ActiveE zeigte schnell, dass Conversion Cars – also Fahrzeuge, die für den Betrieb mit Verbrennungsmotor konzipiert und auf E-Betrieb umgerüstet werden – keine langfristig optimale Lösung für die Anforderungen der E-Mobilität ermöglichen. So wichtig diese Fahrzeuge zur Sammlung von Erkenntnissen über Nutzung und Betrieb von Elektrofahrzeugen waren und sind, die Integration eines E-Antriebs in eine prinzipfremde Fahrzeugumgebung schöpft das Potenzial der E-Mobilität nicht optimal aus. Conversion Cars sind vergleichsweise schwer und die Unterbringung der schweren und großen Batteriemodule sowie der speziellen Antriebselektronik gestaltet sich aufwändig, da die baulichen Gegebenheiten in den Fahrzeugen auf ganz anderen Voraussetzungen basieren.
Erprobungsträger mit CFK-Fahrgastzelle
Es galt also, ein neues Karosseriekonzept zu entwickeln, das sämtliche technischen Besonderheiten eines E-Antriebs gezielt adressiert und darüber hinaus alle sicherheitsrelevanten Anforderungen optimal erfüllt. Doch wie sieht eine sinnvolle und funktionale Karosseriekonstruktion für ein Elektrofahrzeug aus?
Leichtbau bei Elektrofahrzeugen.
Eine Karosserie muss heute nicht mehr nur stabil, sondern vor allem auch leicht sein. Gerade bei einem Fahrzeug mit Elektroantrieb ist Leichtbau von großer Bedeutung, denn neben der Batteriekapazität ist das Fahrzeuggewicht der limitierende Faktor bei der Reichweite. Je leichter ein Fahrzeug ist, desto größer wird die Reichweite – allein weil der E-Antrieb weniger Masse in Bewegung bringen und halten muss. Gerade beim Beschleunigen macht sich jedes Kilogramm zu viel deutlich in einer geringeren Reichweite bemerkbar. Und in der Stadt, dem hauptsächlichen Einsatzgebiet eines E-Fahrzeugs, muss aufgrund des hohen Verkehrsaufkommens sehr oft beschleunigt werden.
Neben höherer Reichweite bedeutet ein niedrigeres Fahrzeuggewicht außerdem spürbar bessere Fahrleistungen. Denn ein leichtes Fahrzeug beschleunigt schneller, fährt flinker durch die Kurven und kommt beim Bremsen schneller zum Stehen. Leichtbau ermöglicht also mehr Fahrfreude, Agilität und Sicherheit. Zudem können aufgrund der geringeren beschleunigten Masse die Strukturen zur Energieaufnahme im Crashfall reduziert werden, was wiederum Gewicht einspart.
Erprobungsträger mit CFK-Fahrgastzelle
Daher gilt es, das Gesamtgewicht eines E-Fahrzeugs von vornherein möglichst gering zu halten. Doch die bauartbedingten Voraussetzungen sind denkbar ungünstig: Der Antriebsstrang beim E-Fahrzeug ist deutlich schwerer als der eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor inklusive vollem Tank. So wiegt der elektrische Antrieb inklusive Batterie ungefähr 100 kg mehr. Das liegt vor allem am Gewicht der Batterie. Um dies zu kompensieren, setzt die BMW Group auf konsequenten Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Je nach Anforderung und Einsatzgebiet nutzen die Ingenieure der BMW Group für jede Komponente das optimale Material. Und tatsächlich gelingt es den Entwicklern, dass die schwere Batterie insgesamt kaum „ins Gewicht fällt“.
„Materialleichtbau ist ein wichtiger Befähiger für die Elektromobilität, da er die Gewichtsnachteile des Energiespeichers ausgleichen kann.“ (Bernhard Dressler)
Purpose Design – das LifeDrive-Konzept (kompromisslos zweckorientiert).
Doch Leichtbau ist nur eine, wenn auch sehr wichtige Facette der Entwicklungsarbeit im modernen Karosseriebau. Mit der vollständigen Elektrifizierung eines Fahrzeugs nutzen die Ingenieure der BMW Group nun die Möglichkeit, die Fahrzeugarchitektur eines Automobils komplett neu zu denken und an die Anforderungen und Gegebenheiten der Mobilität von morgen anzupassen. Mit dem LifeDrive-Konzept schufen sie ein revolutionäres Karosseriekonzept im Purpose Design, das sich konsequent am späteren Einsatzzweck und Einsatzgebiet des Fahrzeugs orientiert und mit innovativem Materialeinsatz aufwartet.
Erprobungsträger mit CFK-Fahrgastzelle
ähnlich wie bei Fahrzeugen mit Rahmenbauweise besteht das LifeDrive-Konzept aus zwei horizontal getrennten, unabhängigen Modulen. Das „Drive“-Modul, das Chassis aus Aluminium, bildet das stabile Fundament und integriert Batterie, Antrieb sowie Struktur- und Basiscrashfunktionen in einer Struktur. Der Gegenpart, das „Life“-Modul, besteht hauptsächlich aus einer hochfesten und sehr leichten Fahrgastzelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Mit diesem innovativen Konzept verleiht die BMW Group den Themen Leichtbau, Fahrzeugarchitektur und Crashsicherheit eine völlig neue Dimension.
„Das LifeDrive-Konzept verbindet sämtliche zum Fahren erforderlichen Systeme mit den Gegebenheiten und Anforderungen der Elektromobilität und setzt sie in einem neuen Ansatz BMW Group typisch um.“ (Uwe Gaedicke)
Das Drive-Modul – die Basis, das stabile Fundament.
Das Drive-Modul vereint auf der Basis eines leichten und stabilen Strukturträgers aus Aluminium mehrere Funktionen in sich: Es ist Grundkarosserie mit Fahrwerk, Crashelement, Energiespeicher und Antriebseinheit in einem. Mit ungefähr 250 kg und Ausmaßen ähnlich denen einer Kindermatratze ist der Energiespeicher treibendes Element für das integrative und funktionale Design des Drive-Moduls. Bei der Konzeption galt es daher zunächst, die Batterie als größten und gewichtigsten baulichen Faktor beim Elektrofahrzeug betriebs- und crashsicher in die Fahrzeugstruktur zu integrieren.
Erprobungsträger mit CFK-Fahrgastzelle
So teilt sich das Drive-Modul in drei Bereiche. Der mittlere Teil beherbergt die Batterie und umgibt sie sicher mit kräftigen Aluminiumprofilen. Die zwei crashaktiven Strukturen in Vorder- und Hinterwagen sorgen für die nötige Knautschzone im Falle eines Front- oder Heckaufpralls. Auf dem Drive-Modul befinden sich zudem die Komponenten der elektrischen Antriebseinheit sowie zahlreiche Fahrwerkskomponenten. Da der E-Antrieb insgesamt deutlich kompakter gebaut ist als ein vergleichbarer Verbrenner, können Elektromotor, Getriebestufe, Leistungselektronik und Achsen hier durch raffinierte Lösungen auf sehr kleinem Raum untergebracht werden.
Das Life-Modul – CFK in einer neuen Dimension.
Komplettiert wird das LifeDrive-Konzept durch das Life-Modul, die Fahrgastzelle, die auf die Trägerstruktur des Drive-Moduls aufgesetzt wird. Die große Besonderheit: Das Life-Modul besteht hauptsächlich aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff – kurz CFK. Der Einsatz des Hightech-Werkstoffes in dieser Größenordnung ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs bisher einzigartig, schien bisher die großflächige Verwendung von CFK noch zu teuer, die Verarbeitung und Fertigung noch nicht flexibel genug. Doch nach über zehn Jahren intensiver Forschungsarbeit und Optimierung der Prozesse verfügt die BMW Group als einziger Automobilhersteller über die erforderliche Fertigungserfahrung, um CFK in der Großserienproduktion einzusetzen. CFK besitzt gegenüber Stahl viele Vorteile, er ist sehr stabil und gleichzeitig überaus leicht. So ist er bei mindestens gleicher Festigkeit ungefähr 50 Prozent leichter als Stahl. Aluminium dagegen würde gegenüber Stahl„nur“ 30 Prozent Gewicht einsparen. Damit ist CFK das leichteste Material, das sich ohne Sicherheitseinbußen im Karosseriebau einsetzen lässt.
Erprobungsträger mit CFK-Fahrgastzelle
Durch den großflächigen Einsatz des Hightech-Werkstoffes wird das Life-Modul sehr leicht und ermöglicht eine höhere Reichweite bei gleichzeitig besseren Fahrleistungen. Zudem profitiert das Fahrverhalten deutlich: Die hohe Steifigkeit des Materials macht das Fahrerlebnis direkter, auch schnelle Lenkbewegungen werden verlustfrei umgesetzt. Gleichzeitig ermöglicht CFK einen höheren Fahrkomfort, denn die steife Karosserie dämpft Energieeinträge sehr gut. So entstehen während der Fahrt keine störenden Vibrationen, es rüttelt und schwingt nichts.
Doch das Life-Modul ist nicht nur sehr leicht, es ermöglicht außerdem, den Innenraum eines Fahrzeugs neu zu begreifen und zu gestalten. Aufgrund der Integration aller Antriebskomponenten ins Drive-Modul entfällt der bisher notwendige und platzraubende Kardantunnel im Innenraum, durch den bisher die Kraft des Motors an die Hinterräder weitergeleitet wurde. Damit bietet das Megacity Vehicle (MCV) bei gleichem Radstand deutlich mehr Raum für die Insassen. Diese neue Struktur ermöglicht außerdem die Integration neuer Funktionalitäten, erlaubt neue Freiheitsgrade in der Architektur und damit die Chance, den Innenraum optimal an die Bedürfnisse von Mobilität in der Stadt anpassen zu können.
CFK als Karosseriebaumaterial.
Als Baumaterial für eine Fahrzeugkarosserie hat CFK zahlreiche Vorteile: Das Material ist äußerst korrosionsbeständig. Es rostet nicht und ist damit deutlich langlebiger als Metall. Aufwändige Korrosionsschutzmaßnahmen können entfallen. Zudem bleibt CFK unter allen klimatischen Bedingungen stabil.
Erprobungsträger mit CFK-Fahrgastzelle
Das Geheimnis dieses hochfesten Werkstoffes ist die Kohlenstofffaser. Sie ist entlang ihrer Längsrichtung überaus reißfest. Zu Gelegen vernäht und in eine Kunststoffumgebung (Kunststoffmatrix) eingebettet entsteht der Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff CFK. Im trockenen, harzfreien Zustand lässt sich CFK beinahe wie ein Textil bearbeiten, was die Möglichkeiten in der Formgebung sehr flexibel hält. Erst durch das Aushärten des in die Gelege injizierten Harzes erhält die Verbindung schließlich ihre harte, finale Form und ist dann mindestens ebenso belastbar wie Stahl – und das bei deutlich geringerem Gewicht.
Die hohe Reißfestigkeit entlang der Fasern ermöglicht es außerdem, CFK-Bauteile gezielt in ihrer Belastungsrichtung hochfest auszulegen. Hierzu ordnet man die Fasern innerhalb des Bauteils entsprechend der Belastungsverläufe an. Durch Überlagerungen der Faserausrichtungen lassen sich Bauteile auch in mehreren Richtungen belastungsfest machen. So können die Komponenten wesentlich effizienter und effektiver ausgelegt werden als mit jedem anderen Material, das in alle Richtungen gleich belastbar ist, wie Metall beispielsweise. So lassen sich nochmals Material und Gewicht einsparen. Das führt wiederum zu neuen Einsparpotenzialen: Durch die geringere beschleunigte Masse im Falle eines Crashes können die Strukturen zur Energieaufnahme reduziert werden, was wiederum Gewicht einspart.
„CFK bietet die Möglichkeit, eine sehr leichte Kunststoffkarosserie bauen zu können, ohne Kompromisse bei Komfort und Sicherheit eingehen zu müssen.“ (Bernhard Dressler)
Leichtbau und Sicherheit – mit CFK ist leichter auch sicherer.
Carbonfaser Spule
Neben dem Leichtbau spielte auch die Sicherheit der Passagiere eine große Rolle bei der Entwicklung des LifeDrive-Konzepts. Die heutigen Crashanforderungen an eine Karosserie sind sehr hoch, zahlreiche Aufprallszenarien müssen berücksichtigt werden. Normalerweise stellt dies die Entwickler gerade bei der Verwendung neuer Materialien vor große Herausforderungen. Doch die Materialkombination von Aluminium im Drive-Modul mit der Fahrgastzelle aus CFK im Life-Modul übertraf bereits in den ersten Erprobungen alle Erwartungen und zeigt klar: Leichtbau und Sicherheit sind kein Widerspruch!
„Leichtbau heißt nicht gleich „unsicher“, ganz im Gegenteil – das LifeDrive-Konzept ist in Crashtests den bisherigen Konstruktionen zum Teil sogar überlegen.“ (Nils Borchers)
Durch die Eigenschaft, bei hoher Festigkeit ein enormes Maß an Energie aufnehmen zu können, ist CFK sehr schadenstolerant. Selbst bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten verformt er sich kaum. Damit sorgt das extrem steife Material, ähnlich wie in einem Formel-1-Cockpit, für einen äußerst stabilen (Über-)Lebensraum. Zudem bleibt die Karosserie bei einem Front- oder Heckaufprall intakt und die Türen öffnen auch nach dem Crash problemlos.
Beim Seitencrash bestens geschützt.
Die Energieaufnahmefähigkeit von CFK ist außergewöhnlich. Gerade bei Pfahlcrashes und Seitenaufprallszenarien zeigt sich das beeindruckende Sicherheitsverhalten von CFK. Trotz der großen, teilweise punktuell einwirkenden Kräfte dellt das Material kaum ein. Die Passagiere sind bestens geschützt. Damit ist CFK prädestiniert für den Einsatz im Seitenbereich des Fahrzeugs, wo jeder Zentimeter unverletzter Innenraum wertvoll ist.
„Um CFK zu zerstören, braucht man sehr große Kräfte bzw. sehr große Beschleunigungen. Deutlich mehr als man auf den ersten Blick glauben mag.“ (Bernhard Dressler)
Doch CFK ist nicht unendlich belastbar. Überschreiten die einwirkenden Kräfte die Festigkeitsgrenzen des Werkstoffes, trennt sich der Faserverbund kontrolliert in seine einzelnen Bestandteile auf.
Das Beste aus beiden Welten – die Kombination von Aluminium und CFK.
Precursor zur Herstellung
von CFK-Komponenten
Auch das neue Drive-Modul wurde gezielt auf die hohen Crashanforderungen hin konzipiert und ausgelegt. Für zusätzliche Sicherheit sorgen hier crashaktive Strukturen aus Aluminium an Vorder- und Hinterwagen. Sie nehmen bei einem Front- oder Heckaufprall einen Großteil der einwirkenden Energie auf. Zum bestmöglichen Schutz der Batterie ist diese im Unterboden untergebracht. Statistisch gesehen muss ein Fahrzeug im Crashfall dort am wenigsten Energie aufnehmen und verformt sich in diesem Bereich entsprechend kaum. Zudem erreichen die Entwickler der BMW Group durch die Position der Batterie im Unterboden einen optimal niedrigen Schwerpunkt, der das Fahrzeug sehr agil und überschlagsicher macht.
Bei einem Seitenaufprall profitiert die Batterie zudem von den Crasheigenschaften des Life-Moduls, da dort bereits die gesamte Energie aufgefangen wird und nicht bis zum Energiespeicher vordringt. Durch den eingesetzten Materialmix aus Aluminium im Drive-Modul und CFK im Life-Modul ist die Batterie auch im Schwellerbereich bestmöglich geschützt.
„Das Drive-Modul ist die sicherste Form, die eine Batterie haben kann.“ (Hans-Jürgen Branz)
Insgesamt schafft die hochfeste CFK-Fahrgastzelle in Verbindung mit der intelligenten Kraftverteilung im LifeDrive-Modul die Voraussetzung für einen optimalen Insassenschutz. So ist der Materialmix im LifeDrive-Modul sicherer als eine selbsttragende Stahlkarosserie. Wie viel Potenzial im Material CFK und in der Kombination mit anderen Materialien noch steckt, zeigen die Erprobungen. Bereits in dieser noch recht frühen Phase kann das Material mehr als andere in einem weitaus ausgereifteren Stadium.
Vorteile LifeDrive.
CFK Stoßfängerträger BMW M6
CFK Durch Purpose Design integriert das LifeDrive-Konzept sämtliche Besonderheiten der E-Mobilität wie die große sperrige Batterie und die kompakten Antriebselemente in einer crashsicheren Struktur. Doch die Vorteile des LifeDrive-Konzepts liegen nicht nur in der Gewichtsersparnis, der damit einhergehenden höheren Reichweite bei besseren Fahrleistungen und der erhöhten Sicherheit. Wie viel mehr hinter dem LifeDrive-Konzept steckt, zeigt sich, wenn man neben dem Produkt auch die angelagerten Produktionsprozesse betrachtet. Denn das LifeDrive-Prinzip ermöglicht die Erfüllung sämtlicher Anforderungen an ein nachhaltiges Produkt innerhalb einer nachhaltigen Produktionskette.
Die Rahmenbauweise ist bis in die Produktion mittlerer Stückzahlen hinauf sehr praktikabel und ermöglicht durch parallele Arbeitsabläufe eine hohe Flexibilität. Durch die neue Architektur des Fahrzeugs sind völlig neue Produktionsprozesse möglich, die einfacher und energieärmer sind. So erlaubt die horizontale Trennung der Module eine separate Herstellung der beiden Elemente, die dann beinahe überall auf der Welt in einem einfachen Montageprozess zusammenführt werden können.
„Über Entwicklungsarbeit der letzten Jahre hat sich für mich klar herausgestellt, dass das LifeDrive-Konzept momentan DIE Lösung ist, um sämtliche Anforderungen der Elektromobilität zu erfüllen und gleichzeitig die ihr innewohnenden Potenziale bestmöglich zu nutzen.“ (Uwe Gaedicke)
Quelle: BMW Pressemappe vom 02.07.2010
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