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11.09.2013

12:52 Uhr

Aerodynamik und Leichtbau

Fliegengewichte im heranbrausenden Orkan

Quelle:Spotpress

Der Leichtbau gilt als Mega-Trend in der Automobilindustrie. Vor allem Elektroautos können von der Diät profitieren. Bei konventionellen Fahrzeugen hingegen wächst die Bedeutung der Aerodynamik.

IAA: Aerodynamik und Leichtbau  - Fliegengewichte gegen den Wind Matthias Knödler/SP-X

Künftig werden die Bedeutung von Leichtbau und Aerodynamik auch in Alltagsautos wachsen.

FrankfurtWenn Autos sparsamer werden sollen, darf man nicht allein am Motor ansetzen. In den vergangenen Jahren ist daher der Leichtbau immer wichtiger geworden. Auf der IAA findet die Entwicklung nun ihren vorläufigen Höhepunkt. Und auch die lange etwas stiefmütterlich behandelte Aerodynamik rückt wieder in den Fokus.

Wenn bisher von Gewichtseinsparungen durch Leichtbautechnik die Rede war, ging es fast immer nur um wenige Kilos. Die waren schwer erkämpft und teuer bezahlt – einen großen Netto-Gewinn bringt das aber meist nicht, da der wachsende Ausstattungsumfang einen Großteil des Diät-Erfolgs wieder auffraß. Nun setzt aber BMW mit dem i3 ein Ausrufezeichen: Als erstes Großserienauto der Welt ist der Elektro-Kleinwagen zu großen Teilen aus dem bislang sündhaft teuren Karbon gefertigt.

Die Fahrgastzelle etwa besteht komplett aus dem kohlefaserverstärkten Kunststoff. Das war nötig, um das durch die Akkus entstehende Mehrgewicht von 200 bis 300 Kilogramm gegenüber konventionell angetriebenen Fahrzeugen zu kompensieren. Der Fünftürer wiegt nun mit 1.195 Kilogramm nicht viel mehr als etwa der Kleinwagen Mini aus dem gleichen Konzern.

Neben dem Karbon haben daran auch viele kleinere Details wie Schrauben aus Magnesium oder leichte Sitze aus recycelten PET-Flaschen ihren Anteil. Galaktisch teuer ist der 125 kW/170 PS starke i3 trotzdem nicht geworden; mit 34.950 Euro kommt er nicht kostspieliger als etwa die Elektro-Version des Golf daher, die auf dem konventionell angetriebenen Modell basiert.

Karbon, schwarze Magie im Autobau?

Was ist Karbon?

Mit Karbon bezeichnet man in der Automobilherstellung Bauteile, die aus industriell hergestellten Fasern kohlenstoffhaltiger Ausgangsmaterialien stammen. Dabei ist die einzelne Faser zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Karbonfasern haben dennoch eine hohe Zugfestigkeit. Um sie für den Einsatz im Fahrzeugbau zu veredeln, müssen die Stränge erst oxidiert und dann bei 1.500 Grad Celsius karbonisiert werden. Für den automobilen Einsatz werden sie anschließend mit Siliciumcarbid kombiniert. Aus den Fasern werden maschinell Gewebe geflochten, rund 500.000 Fasern können dabei pro Quadratzoll ineinander verflochten sein. Diese Gewebematten werden in mehreren Lagen übereinander zu Bauteilen z.B. im Autoklav-Verfahren bei ca. 150 Grad gebacken. Zur Anwendung kommt im Autobau auch verstärkt CFK, das ist kohlefaserverstärkter Kunststoff.

Was sind die Vorteile?

Karbon ist hochfest und sehr leicht. Im BMW M3 spart ein Karbondach fünf Kilo Gewicht an einer für den Fahrzeug-Schwerpunkt relevanten Stelle ein. Beim getunten Mini Cooper S bringt eine Karbon-Motohauben-Diät schon 20 Kilo. Karbon absorbiert außerdem z.B. bei einem Auffahrunfall als Bauteil extrem viel Energie, deswegen wird es bevorzugt im Rennsport eingesetzt. Das Material kann in fast jede beliebige Form gepresst bzw. gebacken werden und es rostet nicht. Bei künftigen Elektroautos ist es wichtig, die Karosserien leichter zu machen, da die Batterien sehr schwer sind.

Warum ist die Herstellung so teuer?

Ein Beispiel: McLaren und Mercedes haben extra für die Produktion des Kofferraumdeckels des SLR Roadsters ein Pressverfahren entwickelt, bei dem die Herstellung von Karbonteilen kaum noch länger dauert als die von Stahlelementen. Doch müssen andere Komponenten mit dem Skalpell ausgeschnitten und aus bis zu 20 Schichten modelliert werden, bevor sie im so genannten Autoklaven bei bis zu 150 Grad unter hohem Druck wie im Schnellkochtopf gebacken werden. Bis zu 20 Stunden für ein Bauteil sind dabei keine Seltenheit. Daher würde eine A-Klasse aus Karbon mindestens doppelt so viel kosten wie eine herkömmliche - und hätte trotzdem keine Chance auf eine Serienfertigung: Die erforderlichen Stückzahlen sind bislang in der Karbon-Fertigung einfach nicht möglich.

Nachteile im Fahrzeugbau

Karbon ist durch die aufwendige Herstellung sehr teuer. Ein Nachteil für den Einsatz im Straßenverkehr ist die Eigenschaft des Materials, bei einem Unfall unkontrolliert zu zersplittern. Die teils sehr scharfen Kanten können zu schweren Verletzungen bzw. Beschädigungen führen. Außerdem kann Karbon nicht einfach repariert werden, - etwa durch schweißen, spachteln, schrauben -, was in jedem Fall einen (teuren) Austausch eines beschädigten Bauteils nötig macht. Dazu kommt die noch ungelöste Frage des Recyclings.

Die Verbrauchseinsparungen durch Leichtbau fallen auf lange Sicht deutlich aus. Je nach Rechenweise sinkt der Durst eines Autos pro eingesparten 100 Kilogramm um 0,1 bis 0,3 Liter auf 100 Kilometern. Ihr ganzes Potential kann die Technik aber nur im Stadtverkehr ausspielen, wo das Auto ständig aus dem Stand beschleunigt werden muss.

Erst einmal in Fahrt, sinkt die Bedeutung der Masse. Je nach Automodell tritt sie bereits ab Geschwindigkeiten von 50 km/h hinter den Luftwiderstand zurück. Je schneller man unterwegs ist, desto wichtiger wird die Rolle der Aerodynamik. Eine Reduzierung des Luftwiderstandes um zehn Prozent kann bei Tempo 120 den Verbrauch um drei bis vier Prozent senken.

Der BMW i3 ist nicht besonders windschlüpfig, aber sehr leicht Matthias Knödler/SP-X

Der BMW i3 ist nicht besonders windschlüpfig, aber sehr leicht.

Trotz des großen Potenzials und geringer Kosten – zumindest die Gestaltung einer windschlüpfigen Karosserieform ist nicht prinzipiell teurer als die jeder anderen – hat der cW-Wert seit seiner Hochzeit in den 80er-Jahren permanent an Bedeutung verloren.

Das liegt nicht zuletzt an den Kriterien des NEFZ-Verbrauchszyklus, der seit 1996 die Bedeutung des Luftwiderstandes für gute Normwerte minimiert hat – unter anderem einer der Gründe für den Boom der SUV-Klasse. Denn die haben einen effektiven Windwiderstand wie eine Schrankwand, erreichen aber trotzdem vergleichsweise ordentliche Normverbräuche.

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