Gewichtsreduzierung von Lkw-Bauteilen durch extra- und ultrahochfesten Stahl

Für viele Spediteure geht es bei Gewichtsreduzierung weniger um Kraftstoffeffizienz als um Gesamtkosten und Frachteffizienz. Sie wollen in der Lage sein, höhere Umsätze durch mehr Ladung zu erzielen – und dabei weiter die gesetzlich vorgeschriebenen Gewichtsgrenzen einzuhalten. Einige Lkw-Bauteile, bei denen herkömmlicher Kohlenstoffstahl durch leichtes Aluminium oder sogar kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) ersetzt wurde, sind jetzt gute Kandidaten für noch wirtschaftlichere und haltbarere extra- und ultrahochfeste Stähle (AHSS).

Dem Marktführer bei Gewichtsreduzierung in der Automobilindustrie folgen

Die Anwendung von extra- und ultrahochfesten Stählen (AHSS) und ultrahochfesten Stählen (UHSS) in Automobilen nimmt mit nahezu jeder Neueinführung oder Modelländerung weiter zu. Einige dieser extra- und ultrahochfesten Stähle sollen strengere Sicherheits-/Crashstandards erfüllen. Aber der Hauptgrund ist wahrscheinlich die Gewichtsreduzierung. Beispiele aus der Automobilindustrie können auch Richtlinien für die Möglichkeiten bei Gewichtsreduzierungen im Lkw-Bereich bieten.

Batteriepackschutz für Elektro-Lkw aus extra- und ultrahochfestem Stahl

Um die weltweit vereinbarten Klimaziele zu erreichen, müssen alle Lkw auf Elektrobatterien, Brennstoffzellen oder Wasserstoffverbrennung umgestellt werden – auch die riesigen Sattelschlepper, die Langstrecken fahren. Doch bevor Elektro-Lkw weit verbreitet sein werden, muss die Lkw-Branche (zumindest in den USA) Crashstandards für Batteriepacks entwickeln.

Das Problem ist, dass es weder eine bekannte Norm für die Haltbarkeitsprüfung von Batteriepacks (für schwere Lkw) wie etwa einen Aufpralltest gibt, noch einen Standard für den Schutz des Packs. Idealerweise werden die Batterien innerhalb der Rahmenschienen verpackt und ohne zusätzliche Struktur und Gewicht vor vorbeifahrenden Fahrzeugen geschützt, was jedoch für die heutigen Arbeitszyklen und die erforderliche Menge an verfügbaren Batterien nicht machbar erscheint.

Angabe von NACFE (North American Council for Freight Efficiency)

Tatsächlich können Lkw-Hersteller von einigen bahnbrechenden Vorarbeiten aus der Automobilindustrie profitieren, die bereits über einen Batterieschutzstandard für Elektroautos verfügt. Die heutigen Elektroautos verfügen über Batteriegehäuse (oder Batterieträger oder -rahmen), die auf innovative Weise aus leichtem Aluminium und/oder extra- und ultrahochfestem Stahl gefertigt sind.

Der anspruchsvollste Crashstandard für Elektroautos ist der Pfahlaufpralltest. Zu den Faktoren zählen das hohe Gewicht der Batterien von Elektroautos, ihre große Größe und die Notwendigkeit, Auffahrunfällen zu widerstehen, damit es nicht zu einem thermischen Kurzschluss und Brand der Batteriezelle kommt, der praktisch unmöglich zu löschen ist.

Fahrzeugkonstrukteure von Elektroautos haben sich diesen Herausforderungen gestellt, indem sie Batterien unter dem Boden der Fahrgastzelle angeordnet haben. Dadurch ist das Gehäuse zu einem wichtigen, multifunktionalen Konstruktionsteil der Rohkarosserie geworden. SSAB hat seinerseits ein Konstruktionskonzept für Elektroautos vorgelegt, das unter anderem einen Vorschlag für ein leichtes Batteriegehäuse mit energieaufnehmenden Schwellern, energieübertragenden Bodenquerträgern und einer 3D-kaltumgeformten Batterieträgerkonstruktion aus martensitischem Docol® 1.700 MPa Stahlumfasst. Der Rahmen um den Batteriehalter von Elektroautos schützt nicht nur das Pack vor Stößen, sondern ist auch eine stabilisierende Konstruktion, die für Verwindungssteifigkeit sorgt – und für Inspiration für künftige Konstruktionen von Elektro-Lkw.

Elektro-Lkw

Extra- und ultrahochfeste Docol® Stähle für Batteriegehäuse von Elektroautos, Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicher

Tabelle über potenzielle extra- und ultrahochfeste Stahlgüten für Batteriegehäuse von Elektroautos, Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicherung
Potenzielle extra- und ultrahochfeste Stahlgüten für Anwendungen, gekennzeichnet durch einen dunkelgrauen Hintergrund. Gelbe Texte weisen auf Güten hin, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Lkw-Fahrgestellrahmen und Rahmenschienen mit extra- und ultrahochfestem Stahl

Für die Konstrukteure von Lkw-Rahmen stehen die Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungseigenschaften eines Materials an erster Stelle, da die Lkw-Karosserien ständig Stoßbelastungen und Verdrehungen ausgesetzt sind.

Ein herkömmlicher Grundrahmen der Klasse 8 (USA) ist eine Stahlkonstruktion mit 827 MPa. Durch die Umrüstung des Rahmens des Lkw zum Beispiel auf kaltgewalzten martensitischen Docol® 1100M Stahl mit 1.100 MPa können Lkw-Hersteller die Dicke reduzieren und ganze 90 kg einsparen.

Um zusätzliche Gewichtsreduzierungen zu erzielen, untersuchen Lkw-Konstrukteure derzeit die Anpassung der Dicke des Stahls über die gesamte Länge der Rahmenschiene, um die Festigkeit von extra- und ultrahochfestem Stahl dort zu optimieren, wo es gebraucht wird. Das Unternehmen konnte auch Kosten-Leistungs-Analysen für noch festere extra- und ultrahochfeste Stähle durchführen, zum Beispiel für warmgewalzte, kaltumgeformte Docol® 1200MStähle.

NACFE berichtet, dass ein Lkw-Hersteller Aluminiumrahmenschienen seit kurzem aufgrund ihrer mangelnden Haltbarkeit nicht mehr anbietet. Ein Teilnehmer der NACFE-Umfrage meldete: „Die Rahmenschienen aus Aluminium ermüden nicht, sie scheitern katastrophal.“ (NACFE Confidence Report: Lightweighting 2021.)

Der Bericht stellt weiter fest, dass Aluminium aufgrund seines geringeren Elastizitätsmoduls (seiner Steifigkeit) im Vergleich zu Stahl häufig durchhängt und Aluminiumrahmenschienen somit für eine Reihe von gewichtsempfindlichen Lkw wie Tanklastwagen ausgeschlossen sind.

Langlebigere Lkw-Querträger

Während leichte Aluminiumquerträger immer beliebter werden, haben viele Lkw-Hersteller dabei dieselben Bedenken wie bei Aluminiumrahmen: den Mangel an langfristiger Haltbarkeit in Bezug auf Steifigkeit, Verwindung und Ermüdung. Extra- und ultrahochfeste Stähle könnten sich als die haltbarere und wirtschaftlichere Alternative für Lkw-Querträger erweisen.

Extra- und ultrahochfeste Docol® Stähle für Lkw-Rahmen und Fahrwerke

Tabelle über potenzielle extra- und ultrahochfeste Stähle für Lkw-Rahmen und -Fahrwerke
Potenzielle extra- und ultrahochfeste Stahlgüten für Anwendungen, gekennzeichnet durch einen dunkelgrauen Hintergrund. Gelbe Texte weisen auf Güten hin, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Leichte Lkw-Fahrerkabinen aus extra- und ultrahochfestem Stahl

Selbst besonders gewichtsempfindliche Lkw-Transportunternehmen (Muldentransporter) möchten keine kürzeren Schlafkabinen verwenden, um Gewicht einzusparen: Flottenbetreiber müssen ihre Fahrer bei der Stange halten, indem sie ihnen komfortable Kabinen anbieten.

Was die Sichtweise der Flottenbetreiber betrifft, bringt es ein Flottenverwalter so auf den Punkt: „Gewichtsreduzierung ist (Frachteffizienz) Umsatz. Ich stelle nur Eigentümer-Bediener mit Zugmaschinen an, die weniger als 7.660 kg wiegen.“

So oder so ist es offensichtlich, dass das Gewicht der Schlafkabine im Blick behalten werden muss, insbesondere da die Kabinen immer größer werden.

Der NACFE-Bericht hebt hervor: „Mit den vielen Innovationen bei Stahl gibt es ein beträchtliches Potenzial für Gewichtsreduzierungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer gemeinsamen Lieferkette.“

Kabinenrahmen

Kabinenrahmen.

Extra- und ultrahochfeste Docol® Stähle für Lkw-Fahrerkabinen

Tabelle über potenzielle extra- und ultrahochfeste Stähle für Lkw-Fahrerkabinen

Potenzielle extra- und ultrahochfeste Stahlgüten für Anwendungen, gekennzeichnet durch einen dunkelgrauen Hintergrund. Gelbe Texte weisen auf Güten hin, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Höhere Sicherheit durch extra- und ultrahochfeste Lkw-Stoßfänger und Unterfahrschutz

Lkw-Konstrukteure stellen fest, dass Autohersteller und Tier-1-Zulieferer zunehmend ultrahochfeste Stähle für Stoßfängersysteme verwenden. Ultrahochfeste Stähle wie die pressgehärteten Stähle Docol® PHS 1500 und PHS 2000 tragen zur Konstruktion von gewichtssparenden, kostengünstigen Stoßfängern mit einer hohen Aufprallschutzleistung bei.

Gewichtsreduzierung bei Druckluftbehältern für Lkw-Bremsen

Aluminiumtanks können bis zu 14 kg leichter als herkömmliche Tanks aus unlegiertem Stahl sein. Moderne hochfeste Stähle könnten jedoch das Gewicht von Aluminium bei beträchtlich geringeren Kosten erreichen.

Kombination von Lkw-Lufttanks mit Querträgern

Volvo hat einen Machbarkeitsnachweis für einen Lkw vorgelegt, der einen als Querträger integrierten Lufttank aus Aluminium kombiniert. Eine ähnliche Idee könnte die Verwendung von extra- und ultrahochfestem Docol® Stahl sein, der nicht nur wirtschaftlicher als Aluminium ist – er hat auch die CO2-Äquivalenz von recyceltem Stahl, auch wenn er größtenteils aus Eisenerz besteht.

Reduzierung der Umformkosten für Dachverkleidungen von Zugmaschinen

Durch Dachverkleidungen werden Zugmaschinen und Anhänger aerodynamischer und damit kraftstoffeffizienter. Doch Materialumrüstungen entweder auf Aluminium oder Spritzgusskunststoffe können für den relativ volumenarmen Lkw-Markt der Klasse 8 finanziell kaum machbar sein.

NACFE berichtet: „Ein großes Spritzgusswerkzeug zur Herstellung dieser Dachverkleidungen kann mehr als eine Million USD und ein Stanzwerkzeug für Aluminiumkarosserien 1,5 Millionen USD kosten.“ Extra- und ultrahochfester Stahl, der durch Ausrüstung umgeformt wird, die der Hersteller wahrscheinlich bereits hat, könnte wirtschaftlicher und ein besserer Ansatz für die Gewichtsreduzierung bei Dachverkleidungen sein.

Höhere Haltbarkeit des 5. Rades mit extra- und ultrahochfestem Stahl

Die fünften Räder von Zugmaschinen sind traditionell ein stark beanspruchtes Bauteil, das zum häufigen Ein- und Aushängen von Anhängern entwickelt wurde. NACFE stellt fest, dass Aluminium unter Umständen nicht die beste Wahl für fünfte Räder ist, wenn „es üblich ist, dass der Achszapfen außermittig schlägt und Schäden am (Aluminium-)Hals oder an den Rampen verursacht. Sie sind (auch) so teuer im Vergleich zu gestanzten und gegossenen Stahlmodellen, (dass) die Gesamt-Abnahmerate (Akzeptanzrate) sehr gering ist.“

Zu den potenziellen extra- und ultrahochfesten Stählen für gestanzte fünfte Räder von Zugmaschinen zählen martensitische Docol® Güten.

Kosteneffektive, leichte Lkw-Räder

Hersteller von Rädern aus Stahl und Aluminium haben in den vergangenen Jahren das Gewicht ihrer Produkte erfolgreich reduziert. Durch eine weitere Steigerung der Festigkeitsniveaus bei Stahlgüten, die fertig zu gedehnten Flanschkanten kaltumgeformt werden und eine hohe Lochaufweitungsrate haben, konnten Stahlradhersteller eine zusätzliche Gewichtsreduzierung zu beeindruckenden Preisen erzielen.

Zu den potenziellen warmgewalzten extra- und ultrahochfesten Docol® Stahlgüten für Räder gehören HR800CP, HR800HER und HR600FB.

Armaturenbrettkonstruktionen

Aluminium hat einige Brettkonstruktionen ersetzt, aber offensichtlich zu höheren Kosten. Durch den Ersatz des „Ersatzmaterials“ durch extra- und ultrahochfesten Stahl wie kaltgewalzte Docol® CR600DP Bleche und Präzisionsrohre könnten Lkw-Hersteller einen preisgünstigen und gewichtsarmen Vorteil erzielen.

Leichte Lkw-Bauteile zu attraktiven Preisen

Zusätzlich zu ihrem Potenzial bei Festigkeit und Gewichtsreduzierung und ihrer attraktiven Preisgestaltung im Vergleich zu Aluminium und faserverstärktem Kohlenstoff können extra- und ultrahochfeste Stähle häufig mit Kaltumformausrüstung hergestellt werden, die Lkw-Hersteller ohnehin bereits verwenden – bei relativ geringen Umrüstungen an den Werkzeugen. Und extra- und ultrahochfeste Docol® Stähle sind auch äußerst CO2-effizient, wie bereits erwähnt.

Sind Sie bereit, das Know-how der Automobilindustrie bei der Gewichtsreduzierung mit Hilfe von extra- und ultrahochfesten Stählen zu nutzen? Dann wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Docol®-Vertreter. Ihre effizienzbewussten Kunden werden es Ihnen danken.

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