Ultra-leichte Fahrzeugstruktur für Elektromobile

Preiswert und sicher: Forschungsprojekt zu elektrischen Stadtflitzern

Das Forschungsprojekt URBAN-EV entwickelt zweisitzige Elektromobile mit einer super leichten Fahrzeugarchitektur. Dabei sollten hohe Standards für den Insassenschutz und gute Leistungsdaten berücksichtigt werden.

Das im Projekt URBAN-EV prototypisch entwickelte Leichtbau-Stadtfahrzeug. / Bild: Fraunhofer LBF

Die Zukunft der Mobilität ist elektrisch. Dies gilt verstärkt für Städte, wo vor allem kleine Fahrzeuge als Lösung gefragt sind. Industrie und Forschung stellt das vor neue Herausforderungen. Diese sind Anlass für das von der Europäischen Union geförderte Forschungsprojekt URBAN-EV, in dem ein preiswertes und sicheres zweisitziges Elektromobil mit super leichter Fahrzeugarchitektur entwickelt wurde.

Maßgeblich beteiligt war das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) sowie weitere Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Die Herausforderung bei der Fahrzeugentwicklung bestand darin, die hohen geltenden Standards für den Insassenschutz mit guten Leistungsdaten für den Fahrbetrieb zu vereinen. Dieses Ziel kann nur mit einem konsequenten Leichtbau erreicht werden. Die Vielfalt der Untersuchungen, die Wissenschaftlern des Fraunhofer LBF durchführten, reichte von der Absicherung der weiter entwickelten Fügetechnologie des EMPT-Crimpens und die Lebensdauerbewertung mittels EMPT-gefügter Komponenten über die Prüfung ausgewählter Achskomponenten bis hin zur Betriebsfestigkeitsprüfung eines Halbachsmoduls. Weitere Informationen zum Projekt gibt es unter www.urban-ev.eu. Zu sehen ist der Zweisitzer beim Fraunhofer-Festival "TheSoundOfScience" am 27. Juni 2019 in Darmstadt, Centralstation.

Die Herausforderung für die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF bestand darin, ein durchgängiges Konzept zur Bewertung der Betriebsfestigkeit von ausgesuchten Komponenten und Baugruppen zu entwickeln und umzusetzen. "Für kleine Elektrofahrzeuge sind bislang wenige Bemessungsdaten für eine Betriebsfestigkeitsbewertung verfügbar. Wenn die Lebensdauerabsicherung kritischer Fahrzeugkomponenten in den Prozess der Fahrzeugentwicklung integriert werden soll, ist es deshalb wichtig, die Betriebsfestigkeitsversuche durch numerische und experimentelle Spannungsanalysen zu validieren", erklären Dr. Klaus Lipp, der Gesamtprojektleiter, und Dr. Thorsten Voigt, der die Bauteilversuche am Fraunhofer LBF betreute.

Leichte und stabile Rahmenstruktur bringt Sicherheit

Einen wesentlichen Beitrag zur Masseeinsparung in dem Zweisitzer leistet eine neu entwickelte leichte und stabile Rahmenstruktur. Sie besteht aus Aluminium-Leichtbauprofilen, die über Knotenteile aus Magnesiumguss miteinander verbunden sind. Dazu entwickelte der Projektpartner PST in Alzenau die Electro Magnetic Puls Technology EMPT, ein berührungsloses Verfahren zum Fügen elektrisch leitfähiger Materialien, weiter. Das Verfahren hat den Vorteil, dass sich damit, im Gegensatz zum Schweißen, auch verschiedene Materialien miteinander verbinden und technologische Nachteile vermeiden lassen, die beispielsweise beim Kleben auftreten. Die mit dieser Technologie am Fahrzeug gefügten Teile untersuchten die Darmstädter Forscher auf ihr Festigkeitsverhalten im Fahrbetrieb.

In Voruntersuchungen dieser so genannten Crimp-Verbindungen konnten die LBF-Wissenschaftler nachweisen, dass diese die im Betrieb auftretenden zyklischen Beanspruchungen zuverlässig ertragen können. Als hoch beanspruchte Komponente der Rahmenstruktur mit Crimp-Verbindung unterzog das Forscherteam den A-Knoten Lebensdaueruntersuchungen unter kombinierter Biege- und Torsionsbeanspruchung mit konstanten und variablen Amplituden. Dabei kam ein LBF-eigenes standardisiertes Lastprogramm zum Einsatz. Die Versuche bestätigten die guten Ergebnisse der Lebensdaueruntersuchungen an den gecrimpten Proben. Abschließend beim Projektpartner Cidaut in Spanien vorgenommene Crashtests mit dem Elektrofahrzeug bestätigten die Zuverlässigkeit dieser Verbindungen.

Optimierungspotenzial erkannt

Neben der Rahmenstruktur bezogen die LBF-Wissenschaftler auch die klappbare Hinterachse des Zweisitzers in die Lebensdaueruntersuchungen ein. Im Fokus standen dabei der Längslenker der Achse und das Modul einer Halbachse. "Die Herausforderung aller Betriebsfestigkeitsuntersuchungen bestand darin, ein durchgängiges Konzept zur Betriebsfestigkeitsbewertung für die betrachteten Bauteile zu erstellen. Dazu gehört, relevante Lastrichtungen festzulegen, geeignete Lastdaten bereitzustellen, Maßnahmen zur Versuchszeitverkürzung abzuleiten sowie eine Lebensdauerabschätzung vorzunehmen", so Dr. Voigt.

Aufgrund des Einsatzes korrosionsempfindlicher Leichtbaumaterialien waren auch Umwelteinflüsse mit zu berücksichtigen. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass der Längslenker seitlich einwirkende Sonderlasten sicher ertragen kann. Versuche am Halbachsmodul offenbarten weiteres Optimierungspotenzial an der konstruktiven Gestaltung der Baugruppe.