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Nutzfahrzeug-Leichtbaufahrwerk mit Spureinstellung

Vorgestellt wird ein starres, nichtangetriebenes Leichtbaufahrwerk für Nutzfahrzeuge, das konstruktionsbedingt einen erheblichen Gewichtsvorteil und verbesserte Federeigenschaften bringt und zudem einen integrierten Mechanismus besitzt, um kostengünstig die Spurwerte und Radstürze einzustellen. Das Fahrwerk ist speziell für den Einsatz in Lastkraftwagen, deren Anhängern, sowie Bussen vorgesehen und bietet neben einem erheblichen Gewichtsvorteil, verbesserten Federeigenschaften und durch das geringe Eigengewicht eine höhere Nutzlast, ohne dabei die Lebensdauer zu beeinträchtigen.

Problemstellung

Steigende Energiekosten erfordern eine immer höhere Effizienz im Transportsektor. Effizienzsteigerungen lassen sich hier besonders durch den Einsatz von Leichtbautechniken erzielen. Da das zulässige Gesamtgewicht von Nutzfahrzeugen gesetzlich beschränkt ist, resultiert jede Gewichtseinsparung am Fahrwerk in einer möglichen höheren Zuladungskapazität.
Das Design von Fahrwerken ist jedoch an eine ganze Reihe von Randbedingungen geknüpft. So müssen mechanische Anforderungen, wie ausreichende Widerstandskraft gegen Biegemomente, insbesondere im Bereich der Längslenker, erfüllt werden. Aber auch geometrische Gesichtspunkte, wie die Unterbringung der Federn, müssen beachtet werden damit unter anderem die Fahrhöhe möglichst gering ausfällt. Gewichtseinsparungen durch Verwendung neuartigen Materialien wie Verbundwerkstoffen scheitern oft an den hohen Kosten dieser Materialien. Dazu kommt, dass die gegenwärtigen Fahrwerkdesigns für den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Materialien eher ungeeignet sind. Der Anteil an auftretenden Kerbspannungen und Biegemomenten ist zu hoch.
Weiteres Kosteneinsparpotential liegt im Ausgleich von Fertigungstoleranzen. Eine präzise koaxiale Positionierung der Radaufnahmen ist sowohl für die Fahrstabilität, als auch für den Reifenverschleiß entscheidend. Fertigungstoleranzen die eine Nachjustierung des Radsturzes und der Spurwerte erfordern, verursachen in der Produktion weitere erhebliche Kosten. Es ist daher vorteilhaft, Fertigungstoleranzen, die eine kostspielige Korrektur des Fahrwerks bedingen, zu minimieren oder die Nachjustierung zu vereinfachen.

Unsere Lösung

Vorgestellt wird ein starres, nichtangetriebenes Leichtbaufahrwerk für Nutzfahrzeuge, das bauartbedingt eine erhebliche Gewichtsersparnis mit sich bringt und zudem eine kostengünstige Einstellung der Spurwerte und Radstürze ermöglicht. Das neue Design (Abb.1) wird selbst in Standard-Stahlbauweise deutlich leichter als konventionelle Konstruktionen und zeichnet sich dadurch aus, dass hauptsächlich Druck- und Zugkräfte übertragen werden. Biegemomente werden weitestgehend vermieden. Dadurch kann das Fahrwerk auch recht problemlos aus kohlenstofffaserverstärkten Materialien hergestellt werden, was eine weitere enorme Gewichtsersparnis mit sich bringt. Die ringförmigen oberen Streben des Fahrwerks ermöglichen es die Federelemente nah, bzw. direkt über dem Achsmittelpunkt zu positionieren, wodurch eine direktere Krafteinleitung ermöglicht wird. Die tiefgezogene untere Querstrebe realisiert dabei trotzdem eine geringe Bauhöhe des Fahrwerks. Insgesamt werden zum einen die Federungseigenschaften des Fahrwerks deutlich verbessert und es ermöglicht zum anderen die Längslenker gewichtsoptimierter zu gestalten.
Durch verstellbare obere Querstreben wird zudem eine einfache und kostengünstige Justierung der Spurwerte und Radstürze, sowie der Ausgleich von Fertigungstoleranzen, ermöglicht. Zusammen mit dem Gewichtsvorteil und der geringen Bauhöhe, ergeben sich aus reduzierten Produktionskosten, erhöhter Nutzlast und minimiertem Reifenverschleiß erhebliche Kosteneinsparungen.
Die spezielle Bauweise des vorgestellten Fahrwerks ermöglicht zusätzlich eine einfache Integration von radnabennahen Elektromotoren, was es besonders bei zunehmender Elektromobilität attraktiv macht.

Vorteile

  • Energieersparnis durch Gewichtsvorteil (Treibstoffverbrauch)
  • Kosteneinsparung durch kostengünstige Spur- und Radsturzjustage
  • erhöhte Nutzlast durch niedrige Bauhöhe und geringes Eigengewicht
  • verbesserte Federeigenschaften durch direktere Krafteinleitung in die Federelemente
  • geringer Verschleiß durch fast vollständige Federung der Fahrzeugmasse

Anwendungsbereiche

  • starre nichtgetriebene Achsen von Lastkraftwagen und Anhängern, sowie Busachsen
  • darüber hinaus gut geeignet für E-Mobilität durch einfach Integration von radnabennahen Elektromotoren

Entwicklungsstand

Die mechanische Stabilität wurde in Simulationen nachgewiesen und CAD-Zeichnungen aller Bauteile existieren. Ein Demonstrator wurde hergestellt.

Spezifikationen eines Prototyps:

Patentsituation

Offengelegte Patente und Patentanmeldungen:  
    US Patent erteilt: US10220663B2   
    Deutsche Patentanmeldung: DE102016007367A1
    Europäische Patentanmeldung: EP3257691A1
    Chinesische Patentanmeldung: CN107521300A

Patentinhaber:
    Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen (HAWK)

Weiterführende Informationen

Pressemitteilung mit Video: "Leichte Achse: weniger Verbrauch, günstigere Herstellung"
Direkter Link zum Video (youtube): "Lightest 9to axle ever built"
Flyer für den Messeauftritt auf der IAA Nutzfahrzeuge 2018: "Leichteste Achse Ihrer Art"
Weltpremiere auf der IAA Nutzfahrzeuge 2018: "HAWK präsentiert die leichteste 9to LKW Achse ihrer Art"

Kontakt

Dr. Tilmann Götze
Lizenzmanager Physik & Technik
E-Mail: tgoetze(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: CPA-1913-HAWK
www.sciencebridge.de

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