Innovative Fügekonzepte für modularisierte Fahrzeugstrukturen in Mischbauweise Von der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Bodo Kleinpeter aus Wolfenbüttel eingereicht am: 11.09.2007 mündliche Prüfung am: 30.11.2007 Referenten: Prof. Dr.-Ing. K. Dilger Prof. Dr.-Ing. P. Horst 2008
Forschungsberichte des Instituts für Füge- und Schweißtechnik Band 20 Bodo Kleinpeter Innovative Fügekonzepte für modularisierte Fahrzeugstrukturen in Mischbauweise Shaker Verlag Aachen 2008
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 978-3-8322-6906-7 ISSN 1614-4783 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de E-Mail: info@shaker.de
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Füge- und Schweißtechnik der Technischen Universität Braunschweig. Angeregt und ermöglicht wurde diese Arbeit von Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, dem für seine Unterstützung und die hilfreichen Diskussionen mein besonderer Dank gilt. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Horst bedanke ich mich für die Übernahme des Koreferats. Herrn Prof. Dr.-Ing. Uwe Dombrowski sei für den Vorsitz im Prüfungsausschuss gedankt. Darüber hinaus danke ich den Mitarbeitern und Kollegen am Institut für Füge- und Schweißtechnik, mit denen ich stets technische und inhaltliche Probleme besprechen konnte und deren Hilfe ich mir immer sicher sein konnte. Ferner möchte ich allen Kollegen sowie den Studenten danken, die am Projekt Faszination Karosseriebau beteiligt waren. Dies gilt besonders für Carsten Brüggemann, Sven Crull, Ulrich Eilert, Dr. Ralph Koschorrek, Dr. Jens Kroker, Dr. Thomas Krusche, Dr. Markus Perpeet und Serhat Yeltan. Besonders danke ich meiner Familie für die Ermöglichung meines Bildungswegs und die Begleitung und Anteilnahme an meiner Arbeit. Mein spezieller Dank gilt meiner Freundin Sybille, ohne deren Geduld, Verständnis und Hilfe die vorliegende Arbeit nicht entstanden wäre. Braunschweig, im Dezember 2007 Bodo Kleinpeter
I ABBILDUNGSVERZEICHNIS... IV TABELLENVERZEICHNIS... IX VERZEICHNIS DER FORMELZEICHEN UND BEGRIFFE...X 1 EINLEITUNG...1 1.1 Motivation... 1 2 STAND DER TECHNIK...3 2.1 Entwicklung und Trends im Karosseriebau... 3 2.1.1 Schalenbauweise... 4 2.1.2 Space-Frame-Bauweise... 5 2.1.3 Karosseriekonzepte im Mischbau... 9 2.1.3.1 Begriffe und Definitionen des Mischbaus... 9 2.1.3.2 Umgesetzte Mischbaukonzepte... 10 2.1.3.3 Fügekonzepte für die Mischbauweise... 16 2.1.4 Fahrzeugkonzepte in Modulbauweise... 21 2.1.4.1 Begriffe und Definitionen der Modulbauweise... 21 2.1.4.2 Umgesetzte Karosseriekonzepte in Modulbauweise... 23 2.1.4.3 Fügekonzepte für die Modulbauweise... 26 3 PROJEKT FASZINATION KAROSSERIEBAU...31 3.1 Konzept Modularisierung... 31 3.2 Modulfügestellen im Konzept Modularisierung... 36 3.2.1 Übersicht der Fügestellen... 36 3.2.2 Modulschnittstelle A-Säulenknoten... 37 3.2.3 Problematik der Modulfügestellen... 37 3.2.4 Fallbeispiel A-Säulenknoten, Beschreibung der Bauweise... 39 4 ENTWICKLUNG VON FÜGEVERFAHREN FÜR PROFILORIENTIERTE BAUWEISEN...41 4.1 Anforderungen an die Fügetechnik... 41
II 4.1.1 Anforderungen der Materialhybride... 41 4.1.2 Anforderungen der Modulbauweise... 43 4.1.3 Zusammenfassung der Anforderungen... 44 4.2 Eigenschaften und Defizite bestehender Fügeverfahren... 45 4.3 Eigenschaftsprofil eines neuen Verfahrens... 47 4.4 Ideenfindung... 48 4.4.1 Fügen mit schäumenden Strukturklebstoffen... 48 4.4.2 Formschlüssiges Kleben... 50 4.5 Konstruktive Umsetzung im Konzept Modularisierung... 52 5 UNTERSUCHUNG DER FÜGEVERFAHREN...57 5.1 Versuche an Verbindungen mit schäumenden Strukturklebstoffen... 57 5.1.1 Verwendete Klebstoffe... 57 5.1.2 Versuche an Vierkantprofilen... 59 5.1.2.1 Probenherstellung... 61 5.1.2.2 Versuchseinrichtungen und Versuchsdurchführung... 63 5.1.2.3 Ergebnisse... 65 5.1.2.4 Simulationsmodell Dreipunktbiegung... 73 5.1.3 Versuche an bauteilähnlichen Prüfkörpern... 76 5.1.3.1 Probenherstellung... 78 5.1.3.2 Versuchseinrichtungen und Versuchsdurchführung... 80 5.1.3.3 Ergebnisse... 84 5.2 Versuche an Verbindungen mit formschlüssigem Kleben... 91 5.2.1 Verwendete Klebstoffe... 92 5.2.2 Definition von Probekörpern... 93 5.2.2.1 Außenrohr... 93 5.2.2.2 Innenteil... 94 5.2.3 Probenherstellung... 95 5.2.4 Versuchseinrichtungen und Versuchsdurchführung... 96 5.2.4.1 Quasistatischer Zugversuch... 96 5.2.4.2 Dauerschwingversuch... 96 5.2.5 Ergebnisse... 97 5.2.5.1 Quasistatischer Zugversuch... 97 5.2.5.2 Dauerschwingversuch... 98
6 DISKUSSION DER VERSUCHSERGEBNISSE...99 6.1 Diskussion der Ergebnisse an Verbindungen mit schäumenden Strukturklebstoffen... 99 6.1.1 Diskussion an den Vierkantprofilen... 99 6.1.2 Diskussion an den bauteilähnlichen Prüfkörpern... 102 6.2 Diskussion der Ergebnisse an Verbindungen mit formschlüssigem Kleben... 104 7 BEWERTUNG DER FÜGEVERFAHREN...107 7.1 Überprüfung der schäumenden Strukturklebstoffe... 107 7.1.1 Simulationsmodell... 107 7.1.2 Fahrzeuglasten... 108 7.1.3 Ergebnisse der Simulationsrechnung... 110 7.1.4 Festigkeitsabgleich... 114 7.2 Überprüfung des formschlüssigen Klebens... 118 7.2.1 Simulationsmodell... 118 7.2.2 Crashlasten... 119 7.2.3 Ergebnisse der Simulationsrechnung... 119 7.2.4 Festigkeitsabgleich... 121 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK...122 III 9 LITERATUR...125