1. Seite 1
Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmens
hinsichtlich Steifigkeit und Masse
ANSYS Usersmeeting, Wien, 20. April 2013
Dipl.-Ing.(FH) Sebastian Zapf

2. Seite 2
Agenda
 Unternehmen
 Ausgangssituation
 Konzeptfindung
 Konstruktion & FEM-Modell
 Ergebnisse
 Zusammenfassung

3. Seite 3
Unternehmen
 Consulting
» Composite Technologie – gesamte Prozesskette
» Automotive Kleinserie
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
 Technologie
» Verfahrens- und Prozessentwicklung
» Serientaugliche Halbzeuge
» Class-A Verbundsysteme
 Produktentwicklung
» Bauteil, System und Gesamtfahrzeug
» Serienentwicklung & Konstruktion
» Werkstoffe und Fertigungsverfahren
» Serienüberleitung – inklusive CFK

4. Seite 4
Ausgangssituation
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
 Aktueller Heckrahmen: Aluminiumschweißkonstruktion
 Obere Versteifungsstruktur : Stahl
 Fahrwerkslasten führen zu Strukturverformung
 Änderungen der Fahrwerkseinstellung
zeigen wenig Effekt

5. Seite 5
Ausgangssituation
 Konzeption und Entwicklung eines neuen Heckrahmens
 Masse um 20% senken
 Torsionssteifigkeit um 20% erhöhen
 Verschraubungen für Monocoque, Fahrwerk und Motor
sollen beibehalten werden
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

6. Seite 6
 Gitterrohrrahmen
 Rahmen aus Profilelementen
 Kastenrahmen
 Monocoque
Konzeptfindung
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

7. Seite 7
Konzeptfindung
 Stahl
 Aluminium
 Magnesium
 Kurzfaserverstärkte Kunststoffe
 Endlosfaserverstärkte Kunststoffe
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

8. Seite 8
Konzeptfindung
Stahl Aluminium Magnesium
Kurzfaser-
verstärkter
Kunststoff
Endlosfaserverstärkter
Kunststoff
Gitterrohrrahmen A1 B1 C1 D1 E1
Profilelemente A2 B2 C2 D2 E2
Kastenrahmen A3 B3 C3 D3 E3
Monocoque A4 B4 C4 D4 E4
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

9. Seite 9
Konzept Steifigkeit Faktor Masse Faktor Kosten Faktor
Fertigbar-
keit
Faktor
Funktions-
integration
Faktor Design Faktor Summe
A1 3 3,80 1 4,20 4 4,60 5 3,20 1 2,60 1 1,20 53,80
A2 5 3,80 2 4,20 5 4,60 5 3,20 2 2,60 3 1,20 75,20
A3 5 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 61,40
A4 5 3,80 1 4,20 2 4,60 1 3,20 4 2,60 3 1,20 49,60
B1 1 3,80 1 4,20 5 4,60 5 3,20 1 2,60 1 1,20 50,80
B2 2 3,80 2 4,20 5 4,60 5 3,20 2 2,60 3 1,20 63,80
B3 2 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 50,00
B4 2 3,80 1 4,20 3 4,60 1 3,20 4 2,60 3 1,20 42,80
C1 1 3,80 1 4,20 4 4,60 4 3,20 1 2,60 1 1,20 43,00
C2 2 3,80 1 4,20 5 4,60 4 3,20 2 2,60 3 1,20 56,40
C3 1 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 46,20
C4 2 3,80 1 4,20 2 4,60 1 3,20 4 2,60 3 1,20 38,20
D1 1 3,80 1 4,20 5 4,60 3 3,20 1 2,60 1 1,20 44,40
D2 1 3,80 1 4,20 5 4,60 3 3,20 2 2,60 3 1,20 49,40
D3 1 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 46,20
D4 1 3,80 1 4,20 3 4,60 2 3,20 4 2,60 4 1,20 43,40
E1 2 3,80 3 4,20 4 4,60 3 3,20 1 2,60 1 1,20 52,00
E2 5 3,80 5 4,20 4 4,60 3 3,20 2 2,60 3 1,20 76,80
E3 5 3,80 2 4,20 3 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 61,00
E4 5 3,80 2 4,20 3 4,60 4 3,20 5 2,60 5 1,20 73,00
 Bewertung der 20 Konzepte bezüglich Steifigkeit, Masse, Kosten, Fertigbarkeit,
Funktionsintegration und Design
 Gewichtete Bewertungskriterien
 Festlegung auf drei Hauptkonzepte
1. Profilrahmen aus Stahl
2. Profilrahmen aus CfK
3. Monocoque aus CfK
Konzeptfindung
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

10. Seite 10
Konstruktion & FEM-Modell
 Definition von drei statischen Lastfällen aus aufgezeichneten Lastkollektiven
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
» Kurvenfahrt, Bremsen, Beschleunigen
 Zusätzlich statischen Lastfall Torsion zur Ermittlung der Torsionssteifigkeit

11. Seite 11
Konstruktion & FEM-Modell
 Topologieoptimierung des vorhandenen Bauraums
Bremsen
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

12. Seite 12
Konstruktion & FEM-Modell
 Konstruktion der drei Hauptkonzepte
 Ausgehend von Ergebnissen der Topologieoptimierung
1. CfK-Profile
Knoten aus Aluminium und
kurzfaserverstärkten Kunststoffen
2. Stahl-Profile
Schweißkonstruktion
3. CfK-Monocoque
Sandwich-Struktur mit PMI-Schaum
und Aluminium-Einlegern
an Lasteinleitungsstellen
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

13. Seite 13
 Zuweisen der Materialeigenschaften
» Stahl, Aluminium, Carbon-UD, SMC
 Preprocessing
» Erstellen der Kontakte, Vernetzen unter Beachtung von Qualitätskriterien
 Feste Einspannungen an Verschraubung
zu Monocoque
 Lasteinleitung über Remote-Points
Konstruktion & FEM-Modell
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

14. Seite 14
Ergebnisse
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Anzuwenden auf Min. Max.
Sicherheitsfaktor gegen Fließen
Isotrope
Materialien
1,2 -
Inverse Reserve Factor
für Puck Modified & Max. Stress
FVK-Bauteile - 0,5
Verschiebung
Fahrwerks-
anbindungen
-
Verschiebungswerte des aktuellen
Heckrahmens
 Sicherheitsfaktor gegen Fließen für isotrope Materialien
 Inverse Reserve Factor (Puck Modified & Max.Stress) für FVK-Bauteile
 Max. Verschiebung an den Fahrwerksanbindungen

15. Seite 15
Ergebnisse
 Lastfall: Kurvenfahrt
» Zielverformung< 1,6mm
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Verschiebung [mm]
Profilrahmen Stahl 1,1
Profilrahmen CfK 1,0
Monocoque CfK 0,8

16. Seite 16
 Sicherheitsfaktoren Lastfall Kurvenfahrt
Ergebnisse
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Sicherheits-
faktor
IRF
Profilrahmen
Stahl
1,8 -
Profilrahmen CfK 1,3 0,2
Monocoque CfK 2,6 0,4

17. Seite 17
 Lastfall: Bremsen
» Zielverformung< 0,9mm
Ergebnisse
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Verschiebung [mm]
Profilrahmen Stahl 0,3
Profilrahmen CfK 0,2
Monocoque CfK 0,5

18. Seite 18
 Sicherheitsfaktoren Lastfall Bremsen
Ergebnisse
Profilrahmen Stahl Monocoque CfKProfilrahmen CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Sicherheitsfaktor IRF
Profilrahmen
Stahl
2,5 -
Profilrahmen
CfK
4,5 0,1
Monocoque CfK 6,2 0,4

19. Seite 19
 Lastfall: Beschleunigen
» Zielverformung< 0,6mm
Ergebnisse
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Verschiebung [mm]
Profilrahmen Stahl 0,2
Profilrahmen CfK 0,2
Monocoque CfK 0,4

20. Seite 20
 Sicherheitsfaktoren Beschleunigen
Ergebnisse
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Sicherheits-
faktor
IRF
Profilrahmen
Stahl
3,0 -
Profilrahmen CfK 3,5 0,1
Monocoque CfK 8,4 0,3

21. Seite 21
 Lastfall: Beschleunigen
» Zielverformung< 0,6mm
Ergebnisse
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Verschiebung [mm]
Profilrahmen Stahl 0,3
Profilrahmen CfK 0,2
Monocoque CfK 0,2

22. Seite 22
Ergebnisse
 Sicherheitsfaktoren Lastfall Torsion
Profilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfK
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung
Sicherheits
faktor
IRF
Profilrahmen
Stahl
1,3 -
Profilrahmen
CfK
1,2 0,2
Monocoque
CfK
1,6 0,5

23. Seite 23
 Minimale Sicherheit gegenüber der materialspezifischen Rp0,2-Werte bei Nicht-FVK-Bauteilen
 Der Inverse Reserve Factor für FVK-Bauteile
 Die Reduzierung der Verformung und Einsparung an Masse im Vergleich zum aktuellen Heckrahmen
Ergebnisse
Konzept Masse Torsions-steifigkeit Parameter Lastfall Kurvenfahrt Lastfall Bremsen Lastfall Beschleunigen Lastfall Torsion
-3% +58%
Min. Sicherheit 1,8 2,5 3,0 1,3
Reduzierung der
Verformung
31% 67% 67% 50%
-18% +154%
Min. Sicherheit 1,3 4,5 3,5 1,2
Reduzierung der
Verformung
38% 78% 67% 67%
IRF[-] 0,2 0,1 0,1 0,2
-20% +270%
Min. Sicherheit 2,6 6,2 8,4 1,6
Reduzierung der
Verformung
50% 44% 33% 67%
IRF [-] 0,4 0,4 0,3 0,5
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

24. Seite 24
Zusammenfassung
 Torsionssteifigkeit nimmt bei allen Konzepten zu
» (+58% bis + 270%)
 Masse nimmt bei allen Konzepten ab
» (-3% bis -20%)
 Max. Verformungen nehmen bei allen Konzepten ab
» (-31% bis -78%)
 Monocoque-Bauweise sollte weiter verfolgt werden
» Durch geänderten Lagenaufbau kann weiter Masse eingespart und die Verformung verringert
werden
Unternehmen
Ausgangssituation
Konzeptfindung
Konstruktion & FEM-Modell
Ergebnisse
Zusammenfassung

25. Seite 25
Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmens
hinsichtlich Steifigkeit und Masse
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
Dipl.-Ing.(FH) Sebastian Zapf
KTM TECHNOLOGIES GMBH
St. Leonharder Str.4
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