Magnesium im Automobil Cockpit-Tragstruktur aus Magnesium

Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Gemeinsam mit einem süddeutschen Automobilhersteller haben Experten von Meridian und csi die Cockpit-Tragstruktur mehrerer aktueller Fahrzeuge entwickelt. Durch gezielten Einsatz des Werkstoffs Magnesium gelang es ihnen, das Gewicht der Module um 25% zu reduzieren.

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Die Tragstruktur spielt mit einem Gewichtsanteil von rund 40 Prozent am gesamten Cockpit die „gewichtigste“ Rolle. Bild: csi
Die Tragstruktur spielt mit einem Gewichtsanteil von rund 40 Prozent am gesamten Cockpit die „gewichtigste“ Rolle. Bild: csi
( Archiv: Vogel Business Media )

In allen Bereichen des Fahrzeugs gilt es, Gewicht einzusparen – auch beim Cockpit. Einen entscheidenden Einfluss hat hierbei die Tragstruktur. Sie ist der zentrale, unsichtbare, aber gewichtigste Bereich des Cockpits, mit einem Gewichtsanteil von rund 40 Prozent. Je nach Hersteller wird sie als crashrelevantes Bauteil eingesetzt, das zu einem guten Frequenzverhalten beiträgt und für die Aufnahme mehrerer anderer Elemente verantwortlich ist. Dazu zählen unter anderem das Airbagmodul (Beifahrer und Knieairbag), der Kabelbaum mit diversen Steuergeräten, die Lenksäule sowie das Klimagerät.

Im Einsatz Stahl, Aluminium oder Magnesium

Je nach Fahrzeug und Hersteller werden für die Cockpit-Tragstruktur unterschiedliche Werkstoffe verwendet – Stahl, Aluminium oder Magnesium. Kunststoffe spielen hier kaum eine Rolle, da sich eine günstige Eigenfrequenz und hohe Steifigkeit nur über Einleger aus Stahl oder Leichtmetall erreichen lässt. Herbert Fackler, Senior Engineer bei Meridian Lightweight Technologies Inc., und Markus Schiek, Teamleiter bei csi, halten viel von Lösungen mit Magnesium und haben dafür gleich mehrere Gründe parat: „Bei intelligenter Bauteileintegration, Auslegung und Konstruktion können wir gegenüber der Stahlvariante beachtliche Gewichtseinsparungen erreichen – und zwar nahezu kostenneutral. Zudem spielen uns die guten physikalischen Eigenschafen des Magnesiums in die Hände. Es werden hohe Steifigkeitswerte und Eigenfrequenzen erreicht, welche sich positiv auf den Fahrkomfort auswirken“.

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Ein weiterer Vorteil dieses Werkstoffs: Verbindungselemente lassen sich beim Gießen mit anbringen, wodurch eine Direktverschraubung möglich ist. Wird mit Stahl gearbeitet, sind Verbindungselemente wie Schweißmuttern oder Blechklammern separat anzufügen, was zusätzlich Zeit und Geld verschlingt.

Magnesium lässt sich bereits mit einer Wandstärke von 2,3 bis 2,5 Millimeter vergießen

Auch im Vergleich mit Aluminiumdruckguss schneidet Magnesium als Werkstoff für Cockpit-Tragstrukturen in einigen Bereichen klar besser ab. Magnesium lässt sich bereits mit einer Wandstärke von 2,3 bis 2,5 Millimeter vergießen. Dadurch können größere Elemente als Gusskonstruktion ausgeführt werden. Der Einsatz von Alu ist nur über Schweißkonstruktionen aus Profilen und Halbzeugen möglich, da das Gießen dickere Wandstärken erfordert, bestätigt Herbert Fackler und ergänzt: „Außerdem lässt sich Magnesium leichter und schneller zerspanen als Alu. Fertigungsunternehmen können somit höhere Schnittgeschwindigkeiten verwenden und kürzere Bearbeitungszeiten sowie wesentlich höhere Werkzeugstandzeiten erzielen.“

Ingenieure und Techniker des Automobilzulieferers Meridian und des Entwicklungsdienstleisters csi verfügen über umfangreiche Erfahrungen im Umgang mit Leichtbauwerkstoffen. Zudem sind weitreichende Kenntnisse in punkto „Einsatz von Magnesium für Cockpit-Tragstrukturen“ vorhanden. Dabei ergänzen sich die beiden Unternehmen mit ihrem speziellen Know-how sehr gut. „Die Mitarbeiter von csi arbeiten zuverlässig, verfügen über großes Fachwissen und Cockpiterfahrung. Darüber hinaus passt die menschliche Komponente“, bekräftigt Herbert Fackler. Entsprechend werden bereits seit zehn Jahren regelmäßig Cockpit- und andere Aufträge gemeinsam erledigt. (mehr Infos nach dem Umblättern)

Gewicht um 25 Prozent reduziert

Jüngstes Projekt: Für Sportwagen- und SUV-Serienfahrzeuge eines süddeutschen Automobilherstellers wurde die Cockpit-Tragstruktur entwickelt. Die vorgegebene Marschrichtung war klar und anspruchsvoll. Es galt einerseits, ein Maximum an Funktionen zu integrieren – so etwa die Lenksäulenanbindung, das Airbagmodul, Knieairbags, die Instrumententafel, das Klimagerät, Steuergeräte, den Handschuhkasten, das Head-up-Display, den Kabelbaum und einiges mehr. Andererseits sollte ein Zielgewicht von unter 4 kg erreicht werden. Gegenüber einer konventionellen Stahlstruktur entspricht das einer Gewichtsreduzierung um etwa 25 Prozent.

Vorab: Alle Ziele wurden erreicht

Entscheidend war, dass die zuständige Fachabteilung des Automobilhersteller Meridian-Mitarbeiter schon sehr früh mit in die Konzeptentwicklung einbezogen hat. So konnte bereits der Produktionsstart (kurz SOP für „Start of production“) gemeinsam erarbeitet werden. Auch csi war zu diesem frühen Zeitpunkt bereits an Bord, da einige Mitarbeiter in die Cockpitentwicklung involviert waren. Meridian-Projektleiter Fackler verdeutlicht: „Da wir auf diese Weise zusätzliche Synergien erzielen konnten und der OEM die ergänzende Zusammenarbeit mit csi begrüßte, war klar, dass wir wieder ein gemeinsames Projekt realisieren.“

Auch in diesem Fall ergänzten sich die Spezialisten von Meridian mit denen von csi. Meridian brachte produktspezifisches Fachwissen sowie umfangreiche Erfahrungen mit Herstellungsverfahren ein. Zudem berechneten Meridian Mitarbeiter die Eigenfrequenz, das Crashverhalten und die Topologie der Tragstruktur. Auch die Simulationen der Topometrie und des Magnesiumgusses stand auf der Aufgabenliste Meridians.

csi war ergänzend für das gesamte Package (den Bauraum) sowie die Integration der Komponenten verantwortlich

csi erstellt alternative Befestigungskonzepte, Montagesimulationen für die zu integrierenden Bauteile. Darüber hinaus erstellte das Team von Markus Schiek fertigungsgerechte Konstruktionen, setzte diese in Catia V5 um, berechnete die zulässigen Toleranzen und erstellte relevante Zeichnungen und Messpläne.

Das Ergebnis wurde allen Erwartungen gerecht. Darüber hinaus kann noch in vielen anderen Bereichen Gewicht reduziert werden. An einigen davon war csi ebenso entwicklungstechnisch beteiligt. So waren etwa einige Konstrukteure bei der Entwicklung der Grundträger für die Mittelkonsolen und der Dekorblenden sowie der Lagerböcke für Armlehnen aus Magnesium eingebunden. Auch in diesen Bereichen wurde csi teilweise schon während der sehr frühen Konzeptphase eingebunden und blieb bis einschließlich der Serienentwicklung an Bord.

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