Traditionell werden in dem Fahrwerksbereich hochfeste Stähle eingesetzt. Aber aus Ge-wichtsgründen und steigenden Anforderungen könnten auch andere leichtere Werkstoffe zum Einsatz kommen. Um einen Überblick über die Ausnutzbarkeit der verschiedenen Werkstoffe zu schaffen, müssen Eigenschaftsgrößen und Auswahlkriterien festgelegt werden. Im Leicht-bau ist es üblich die mechanischen Eigenschaftswerte eines Werkstoffes auf die Dichte zu beziehen, um die Werkstoffe untereinander zu vergleichen. Für eine bessere Vergleichbarkeit der Werkstoffe werden die Gütekennzahlen aus Tabelle 7.1 genommen. Sie werden nach unterschiedlichen Beanspruchungsarten angegeben. Desweiteren ist eine Normierung auf Stahl vorgenommen worden, was den Vergleich relativierbarer macht.
Tabelle 7.1 Gütekennzahlen zur Beurteilung der Leichtbaueignung normiert auf Stahl (nach Klein 2007)
Eigenschaften bezüglich Gütekennzahl
Al-Leg.
Mit der Reißlänge wird das Verhältnis Rm
gρ ausgedrückt. Es gibt an, bei welcher Länge ein aufgehängter Faden unter Eigengewicht reißt. Die spezifische Steifigkeitskenngrößen
/ ( )
E gρ und G g/ ( )ρ sind ein Maß für die eintretende Deformation. Die Schlagzähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffes, Stoßenergie und Schlagenergie zu absorbieren, ohne zu brechen.
Es lässt sich feststellen, dass Stahl im Vergleich zu den anderen Leichtbauwerkstoffen die größte Schlagzähigkeit besitzt. Der Landestoß ist eine Stoßbelastung. Stahl ist das kosten-günstigste Material in der Anschaffung und Fertigung. Die Fertigungsmöglichkeiten wie Gießen, Spanen, Umformen und Fügen sind bei Stahl gegeben. Ein Nachteil ist die
Korrosi-onsbeständigkeit von nicht veredelten Stählen und die hohe Dichte. Um diese Stähle korrosi-onsbeständig zu machen, wird Chrom und Nickel hinzu legiert (Bargel 2005).
Aramidfaserverstärkter Kunststoff (AFK) besitzt gute Dämpfungseigenschaften. Das elasti-sche Aufnahmevermögen ist um den Faktor 29,08 größer als bei Stahl. Das geringe spezifi-sche Gewicht und die relativ hohe Zugfestigkeit bei guter Bruchdehnung sind hervorzuheben.
Titan besitzt eine noch relativ niedrige Dichte, überragende Festigkeitswerte und eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Als nachteilig ist anzuführen, dass die Titanlegierungen nur auf-wendig umzuformen und schweißbar sind. Diese sind wegen der hohen Festigkeit und der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit nur schwierig spanend zu bearbeiten. Große Auswirkung auf die Dauerfestigkeit hat die Oberflächenbeschaffenheit, was unterstreicht, dass Titan sehr kerbempfindlich ist.
Als wohl wichtigster Konstruktionswerkstoff des metallischen Leichtbaus kann Aluminium mit seinen Legierungen angeführt werden. Eine niedrige Dichte und an Stähle heranreichende Festigkeitswerte sind Merkmale vom Aluminium. Mit Aushärten (Wärmebehandlung) kann die Festigkeit weiter gesteigert werden. Die höchsten Festigkeitswerte erreicht die Sorte AlZnMgCu unter den Knetlegierungen.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe haben neben AFK die niedrigste Dichte und eine 9,2- mal bessere statische Festigkeit als bei Stahl in Phasenrichtung. Jedoch ist das CFK sehr spröde und wird durch Stoßbelastung negativ beeinflusst.
Die Tabelle 7.2 zeigt die Kenngrößen der betrachteten Werkstoffe:
Tabelle 7.2 Werkstoffvergleich unter Zugbeanspuchung (Klein 2007 und Bargel 2005)
Werkstoff Dichte ρ
kgdm-³
E-Modul E Nmm-2
Bruchfestigkeit Rm
Nmm-2
Stahllegierung 7,85 210.000 700
Bainitscher Grauguss
mit Kugelgraphit 7,5 160.000 1000
Austenitisches
Das Streben nach einer Verringerung von Einzelteilen in einer Struktur führt oft zu Lösungen, bei denen durch Gießen die Einstückigkeit hergestellt wird. Hauptsächlich Einsatz finden die Gusseisensorten mit Kugelgraphit. Bei gleichem Rauminhalt hat die Kugel gegenüber anderen
geometrischen Formen das günstigste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Daher ist der tragende Querschnitt groß und die Spannungsverteilung im Innern des Gussstücks vorteilhaft.
Es gibt austenitischen Sorten wie GGG-NiMn, GGG-NiCr, GGG-NiSiCr und die bainitischen Gusseisensorten GJS-800-8, GJS-1000-5, GJS-1400-1. Das Gusseisen mit Kugelgraphit erträgt neben Schwing- und Biegebeanspruchungen auch Stoßbelastungen.
Nach dem Vergleich der Werkstoffe nach deren Festigkeiten wird sich für einen nichtrosten-den Duplex-Stahl entschienichtrosten-den. Kennzeichnendes Merkmal dieser Stähle ist ihr zweiphasiges Gefüge, das aus etwa 50 Prozent Ferrit und 50 Prozent Austenit besteht. Diese vereinen die Vorteile der ferritischen Stähle, wie hohe Festigkeit und Sicherheit gegen Spannungsrisskor-rosion, mit denen der austenitischen, wie gute Beständigkeit gegen abtragende Korrosion und guten Zähigkeitseigenschaften. Die Eigenschaften vom Duplex-Stahl mit der Kurzbezeich-nung X2CrNiMoN22-5-3 sind (Wittel 2009, TB 1-1):
• Zugfestigkeit Rm = 650 Nmm-2
• Streckgrenze Rp0,2 = 450 Nmm-2
• Dehnung A = 25%.
Als Herstellungsverfahren könnte Fräsen, Gießen oder Schweißen angewendet werden.
Beim Gießen wäre der Vorteil gegenüber Fräsen, dass weniger Materialverlust vorhanden und die Nutzungszeit von den teuren zerspanenden Maschinen geringer ist. Jedoch können nicht so hohe Festigkeiten als bei zerspanten Teilen erreicht werden, was zur Folge hat, dass größe-re Wanddicken vorgesehen werden müssen.
Das Verbindungsschweißen bietet den Vorteil, dass Teile wie zum Beispiel die Befestigungs-arme und die Kalotte getrennt voneinander gefertigt werden können. So wird eine werkstoff-sparende, wirtschaftliche Leichtbauweise ermöglicht. Dem gegenüber steht, dass Schweißen zu Verzug, hohen inneren Spannungen und Gefügeänderung im Nahtbereich führt. Es besteht die Gefahr des Sprödbruches und der Rissbildung an diesen Bereichen.
Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, das nahezu beliebige geformte Werkstückflä-chen zu erzeugen vermag. Die bisherigen Fahrwerksbeine werden durch Fräsen aus Rundstab Halbzeug hergestellt. Es ist das aufwendigste Herstellungsverfahren, bietet aber die größten Festigkeiten und Genauigkeiten.
Es wird sich in dieser Arbeit für das Fräsverfahren entschieden, weil es den hohen Anforde-rungen nach Festigkeit und Bauteilgüte erfüllt.