Leichtbaupotentiale für den Schienenfahrzeugbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen 13. Dezember 2011
Leichtbaupotentiale für den Schienenfahrzeugbau
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
13. Dezember 2011
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des MaschinenbausRWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:
1. Der Kunde stört
2. Die Kosten stören
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen
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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:
1. Der Kunde stört
2. Die Kosten stören
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen
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Projektorganisation stört den Leichtbau
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Quelle: Rossberg (Hrsg.)
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Betrachtungsrichtung „von außen nach innen“
• Einflussgrößen aus dem Umfeld
• konzeptionelle Schwächen aufdecken
Globalbetrachtung
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1. Leichtbaupotential entsteht durch eine Gesamtsicht
2. Entscheidend sind die ersten Schritte der Struktur-definition
3. Klare Definition von Aufgaben und deren Verknüpfung
4. Richtlinien für den Strukturentwurf und die Konstruktion helfen Leichtbaupotential zu nutzen
Folgerungen 1
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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:
1. Der Kunde stört
2. Die Kosten stören
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen
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Globalisierung treibt das Gewicht hoch
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Durch global Sourcing viele nicht sauber gestaltete Schnittstellen und Standard-komponenten mit hohem Gewicht
Auch global Sourcing, aber Zulie-ferer unter eigener Kontrolle
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• Konventionelle Geräteanordnung einer Niederflurstraßenbahn
Leichtbau durch Systemintegration
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Bildquelle: Vossloh-Kiepe
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1. Der Ansatz „Systemlieferant“ muss die Zulieferer entwicklungs-/konstruktionsseitig integrieren
2. Es ist eine hohe Kompetenz für typische zugelieferte Komponenten erforderlich (Bremsen, Getriebe, …)
3. Mit den Zulieferern sind neue Partnerschaftsmodelle erforderlich (gemeinsame Definition der Entwicklungsziele und gemeinsames Profitieren beim Erreichen der Ziele)
Folgerungen 2
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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:
1. Der Kunde stört
2. Die Kosten stören
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen
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Das Marketing muss aktiver werden
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Leichtbauziele können nur bei richtiger Marktvorbereitung erreicht werden.
Quelle: WikipediaQuelle: Rossberg (Hrsg.)
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1. Heutige Marktforderungen müssen hinterfragt werden
2. Komfort, Ergonomie und gutes Design schließen sich nicht aus
Folgerungen 3
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1. Leichtbau ist eine Frage der Organisation1. Projektorganisation stört den Leichtbau
2. Globalisierung treibt das Gewicht hoch
2. Gute konstruktive Ausführung ist Voraussetzung aber nicht alles im Leichtbau:
1. Der Kunde stört
2. Die Kosten stören
Thesen zum Leichtbau bei Schienenfahrzeugen
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Prinzip der Kraftleitung
Was ist hier gewesen?Was ist hier passiert?
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Prinzip der Kraftleitung
Vor dem Bruch
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Prinzip der Kraftleitung
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Ziel:•Minimum an•Werkstoffaufwand•resultierender Verformung
Weg:•nur Zugkräfte oder•nur Druckkräfte übertragen
Kurze und direkte Kraftleitung
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gleichmäßigeWerkstoffausnutzung
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Kurze und direkte Kraftleitung
Alle drei Übertragungsorgane haben die gleiche Belastung und Beanspruchung (rechteckiger Querschnitt gleicher Dicke)
direkte Kraftleitungindirekte aber geschlosseneKraftleitungindirekte Kraftleitung
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Quelle: Ehrlenspiel
1
2
3
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Typische Krafteinleitung in Tragwerken I
SW3
nach Klein
ungünstig besser Hinweise
Direkte Einleitung der
Kraft in die Hauptstruktur
Keine Umleitung von Kräften
Möglichst großflächige
Einleitung von Kräften
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Typische Krafteinleitung in Tragwerken II
SW3
nach Klein
ungünstig besser Hinweise
Möglichst direkte
Unterstützung von Kräften
Offene Strukturen
sollten möglichst geschlossen
werden
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Kurze und direkte Kraftleitung
• Kraftfluss muss stets geschlossen sein• Kraftfluss muss so kurz wie möglich sein• Vermeide:
• Kraftumlenkung• schroffe Querschnittsänderung• Änderung der Kraftflussdichte
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Grundaussagen:
1.Kraftflussbetrachtungen reichen häufig nicht aus
2.Durch Relativverformungen entstehen Zusatzbeanspruchungen
Prinzip der abgestimmten Verformung
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Ziel:
•gleichmäßige Werkstoffausnutzung
Weg:
•gleichgerichtete Verformungen
•möglichst kleine Relativverformungen
Prinzip der abgestimmten Verformung
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Abgestimmte Verformung: Antriebswelle
Gleicher Torsionswinkel der Räder durch abgestimmte Verformung der Wellenabschnitte bei asymmetrischer Zahnradanordnung
symmetrische Zahnradanordnung stellte Gleichlauf sicher
Gleichlaufprobleme wegen unsymmetrischer Zahnradanordnung
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Quelle: Pahl/Beitz
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Schadensfälle
ProblemzoneEinriß
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1. Ohne eine gute Entwicklung und Konstruktion geht es nicht
2. Die Beachtung entwicklungs- und konstruktionstechni-scher Regeln ist Voraussetzung für den Leichtbau
Folgerungen 4
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Ziel:
•Leichtbaukonstruktion
Weg:
•Ändern der Konstruktionsphilosophie
•Einführen neuer Fügetechniken
Werkstoffwahl
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Träger gleicher Steifigkeit: St - Al17_30_02
Werkstoff Stahl Aluminium Aluminium Aluminium
I [x 106 mm4]
E x I [x 1012 N mm²]
h [mm]
b [mm]
t [mm]
w [mm]
Gewicht [kg/mm]
38,9
8,1
240
120
9,8
6,2
30,7
116,6
8,16
240
240
18,3
12
30,3
116,7
8,17
300
200
12,9
6
18,4
117,3
8,21
330
200
10
6
15,8
t
w
b
h
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Gewichtsoptimierung von Biegeträgern17_30_03
Wegen Instabilität(Beulen des Stegs)muss örtlich die Wanddickeerhöht werden.
Gewichtserhöhung
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Optimale Gestaltung eines Al-Trägers17_30_04
Stahl Aluminium Aluminium
Gewicht [kg/m] 40 16,9 27
Trägheitsmoment [mm4] 76 * 106 225 * 108 228 * 106
Widerstandsmoment [mm³] 25 * 106 49 * 104 52 * 104
Torsionssteifigkeitsfaktor 1 0,24 27,5
Gewichtseinsparung [%] 0 57 32,5
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Sandwichbauweise
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Vorteile•Geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher
Biegesteifigkeit
•Gute Schwingungsdämpfung
•Gute Schallisolation
•feuerfest
Nachteile•Keine standardisierte Verbindungstechnik
•Keine einfach anzuwendenden
Festigkeitshypothesen
•Mangelnde Kenntnis der Konstrukteure über
Möglichkeiten der Sandwichbauweise
Deckschicht
Kernschicht
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Möglichkeiten•Gewichtseinsparung
•Bauteilreduktion durch Funktionsintegration
•verbesserte Oberflächengüte
•geringere Montage- und Ausstattungskosten
•Integrierte Sensorik und Aktorik
Möglichkeiten und Grenzen
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Quelle: DE-LIGHTGrenzen•Wirtschaftlichkeit?
•Auslegung und Berechnung
•Automatisierte Fertigung, Montage und Verbindung?
•Baukastensystem/Modularer Aufbau?
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Verfahren: Vakuuminfusion
8th international conference on sandwich structures, Porto,2008
Local effects in the vicinity of transitions from sandwich to monolithic laminate
configurations
OptimierteLösung
Optimierte Lösung durch eine „Materialanpassung“
Prinzip der abgestimmten Verformung
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Quelle: E. Bozhevolnaya; A.H. Scheikh; O.T. Thomson
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• Leichtbau scheitert an übergeordneten Dingen:• Organisation (Verantwortungen, Aufgabenteilungen,…)
• Heute vorhandenen Marktforderungen
• Heute vorhandenen Vorschriften
• Heute vorhandenen Betriebskonzepten
• Leichtbau scheitert nicht an:• Werkstoffen
• Konstruktion
• Fertigung
Ihre gute Ausführung, bzw. Wahl ist Voraussetzung.
Zusammenfassung
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