Spektrum The subject of „lightweight construction“ is what everyone is talking about, not least due to the regulation of CO2 emissions for new European cars to 95 grams in 2020. The weight reduction of a single nut may seem pointless; however, there are two clear main reasons for an in-depth consideration of this type of C-goods: On the one hand, the high volume of joining elements in a passenger vehicle; in the region of the drive train and chassis of a mid-range Nicht zuletzt durch die Reglementierung des CO2-Ausstoßes für europäische Neuwagen auf 95 Gramm im Jahr 2020 ist das Thema „Leichtbau“ in aller Munde. Die Gewichtsreduktion an einer einzelnen Mutter mag zunächst nur wenig Sinn machen, jedoch sprechen zwei Hauptgründe klar für eine eingehende Betrachtung dieser Art von C-Gütern: Zum einen die Masse an Verbindungselementen in einem Pkw; alleine im Bereich des Antriebsstrangs und des Fahrwerks eines 50 SchmiedeJOURNAL März 2014 Mittelklasse-Pkws sind dies zirka 23 kg Verbindungselemente 1. Zum anderen zeigen Verbindungselemente durch die normativ bedingte (Über)-Dimensionierung auf Basis vereinfachender Annahmen innerhalb der analytischen Grundlage, der sogenannten „Alexander Theorie“ 2, hohes Potenzial für geometrischen Leichtbau. Unter Anwendung angepasster numerischer Auslegungsmethoden ist eine signifikante Massenreduktion unter Einhaltung gegebener strukturmechanischer Randbedingungen möglich. Hierbei werden Teilvolumina, die nicht unmittelbar zur Tragfähigkeit 3 beitragen, definiert reduziert. Gesamtheitliche Auslegungsstrategie Um die resultierenden Produkt- und Bauteileigenschaften erfassen, vorhersagen und optimieren zu können, müssen der jeweils durchlaufende Fertigungsprozess, die „Wertschöpfungshistorie“, und die sich daraus ergebenden „intrinsischen“ Einflussgrößen (zum Beispiel Werkstofffehler, Eigenspannungen infolge der eingebrachten Erhöhung der Versetzungsdichte/ Kaltverfestigung) in eine gesamtheitliche Betrachtung einbezogen werden. Somit ist in Anlehnung an Ashby 4 das Zusammenwirken von Werkstoff/ Material, Konstruktion (Form und Gestalt), Fertigung und Funktion in eine Gesamt-Auslegungsstrategie mit zu berücksichtigen. Angepasste Werkstoffe Im Bereich mechanischer Verbindungselemente finden auf Basis normativer Vorgaben 5, 6 unlegierte Stähle 7, 8, Einsatzstähle 9 und Vergütungsstähle 10 Anwendung. Bainitische Werkstoffgüten, wie beispielsweise der Werkstoff 7MnB8 (1.8976), zeigen hohes Leichtbaupotenzial, indem diese gute Zähigkeitseigenschaften (Umformbarkeit) für die Kaltmassivumformung bei ausreichenden Festigkeitseigenschaften auch ohne anschließende Schlusswärmebehandlung bieten. Das Eigenschaftsprofil derartiger Stähle wird durch eine Kombination aus temperaturkontrolliertem Walzen unter Zusatz von Mikrolegierungselementen eingestellt. Die gewünschten mechanischen Eigenschaften am Mutternkörper werden über eine abgestimmte Kombination der Walzdrahtfestigkeit aus dem Ziehabzug und der innerhalb der Umformung eingebrachten Kaltverfestigung erzielt. Die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs 7MnB8 ist nachfolgender Tabelle zu entnehmen. Konstruktion durch gekoppelte numerische Berechnungsverfahren Im Teilgebiet Umformung wird das Fließverhalten des Werkstoffs in Abhängigkeit verschiedener Parameter abgebildet. Ergebnisse derartiger numerischer Abbildungen sind neben Leichtbau durch Kaltumformung mechanischer Verbindungselemente Dr.-Ing. Peter Unseld, Dr.-Ing. Levente Kertesz und Dr.-Ing. Günther Meßmer, Spaichingen passenger vehicle alone, this is close to 23 kg of joining elements 1. On the other hand, joining elements demonstrate a high potential for geometric lightweight construction due to the normatively conditioned (over)dimensioning based on simplifying assumptions within the analytical basis, the so-called „Alexander Technique“ 2. By applying adapted numerical design methods, a significant weight reduction is possible by adhering to given structural and mechanical constraints. In this case, partial volumes which do not directly contribute to the bearing capacity 3 are definitively reduced. Lightweight Construction Using Cold Forming of Mechanical Joining Elements
2014-03-Schmiede-Journal
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