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LeichtbauWerkstoffe im Fahrzeugbau-

Themenstarteram 3. Juni 2021 um 23:50

Hallo zusammen,

ich bin gerade über Magnesium Felgen gestolpert, die ja scheinbar mit die leichtesten Felgen sind, die es gibt.

Das leuchtet aufgrund der geringen Dichte von nur 1.7 g/ccm im Vergleich zu Aluminium mit 2,7 oder gar Stahl von 7.8 ja auch ein.

Was mir aber nicht mehr einleuchtet, das Emodul ist mit nur 44 GPa einiges kleiner als die 70GPa von Aluminium, oder gar die 210GPa von Stahl!?

 

Das bedeutet doch, dass ich mit Magnesium viel mehr Material/Wandstärke benötigen würde als mit Stahl oder Alu? Also die Magnesium Felge sollte doch nie so filigran ausfallen wie eine Alufelge, und doch scheint es Magnesiumfelgen zu geben, die wirklich sehr filigran sind? Auch eine Alukarosse wie beispielsweise beim Audi SpaceFrame müsste dann doch dicker sein bzw. mehr Platz verschwenden als eine aus Stahl, oder?

18 Antworten

Alufelgen sind ja auch typisch dicker als Stahlfelgen und daher nicht unbedingt leichter, nur empfindlicher. Gekauft werden sie trotzdem...

Und die billigen Alus sind meist sogar schwerer als Stahlfelgen. Guck dir an, was für OZ Ultraleggera bezahlt werden muss und was ein ähnliches Design aus chinesischem Aluguss kostet.... Apropos, "gegossen oder geschmiedet" geht auch in die Festigkeit ein.

Zitat:

@floflorian schrieb am 3. Juni 2021 um 23:50:39 Uhr:

... Also die Magnesium Felge sollte doch nie so filigran ausfallen wie eine Alufelge, und doch scheint es Magnesiumfelgen zu geben, die wirklich sehr filigran sind? Auch eine Alukarosse wie beispielsweise beim Audi SpaceFrame müsste dann doch dicker sein bzw. mehr Platz verschwenden als eine aus Stahl, oder?

Im Fahrzeugbau kann man nicht einfach eine Karosserie, die im Original aus Stahl ist, mit Alu oder Magnesiumlegierung kopieren und genau so bauen, vielleicht auch "dicker".

Die "frames" müssen völlig anders konstruiert werden. Dehn-, Zugkräfte, Verformungsbauteile, Verbindungen müssen in mühevoller Arbeit auf das Material und dessen Eigenschaften neu konstruiert werden.

Ein Stahlträger verhält sich im Crashfall anders als Alu, Magnesium oder Carbon.

Genauso müssen Felgen jeweils auf das Material richtig ausgelegt werden.

Also kurz: 1:1 kann man nicht übernehmen.

Gut konstruierte Bauteil aus dem Alu, aus Magnesium oder Carbon können, müssen aber nicht, leichter sein.

Wo man so etwas mal gut ansehen kann sind die Rahmen von Mountain- oder Rennrädern.

Schaut man sich einen "alten" Stahlrahmen und dann einen neuen Alu- oder Carbonrahmen (jeweils bitte gute Marken, nicht Baumarktware aus Billigchina), dann sieht man wunderschön wie unterschiedlich die Rahmen konstruiert sind. Und Fahrradrahmen sind ein Klacks gegen ein gut gemachtes Autochassis.

Was bei Alu Frames noch dazu kommt: Das andere Schwingverhalten. Ein Großteil des Gewinns beim Gewicht wird dann wieder von Dämmmaterialien aufgefressen.

Carbonfelgen sind das leichteste was du bekommen kannst. Da ist ja ein Polymerschaum oder nur Luft in den Speichen. Da man zwei Hälften verbindet kann man auch hohle Bauteile fertigen, das geht beim Guss oder Schmieden eben nicht.

Bei Felgen geht das Design aber immer noch vor dem Gewicht ;)

Zitat:

@Provaider schrieb am 6. Juni 2021 um 01:47:45 Uhr:

Carbonfelgen sind das leichteste was du bekommen kannst. Da ist ja ein Polymerschaum oder nur Luft in den Speichen. ...

Ähm, Einspruch.

Nein, bei Carbonbauteilen ist keine "Luft" in den Teilen. Im Gegenteil, die Fasern, die in Längsrichtung die Kräfte aufnehmen müssen fixiert werden, weil sie nur in Längsrichtung die Kräfte aufnehmen können. Die Carbonfäden werden in Matten gesponnen und diese werden dann je nach Bauteil so gelegt, dass sie die zu erwartenden Kräfte aufnehmen. Dazu wird zwischen die Fasern die "Matrix" , d.h. Harz (kann aus ganz unterschiedlichen Kunsstoffen bestehen) eingefügt und diese "Composites" werden dann verbacken. Und da soll eben keine Luft mehr drin sein.

Carbonfasern, die nicht geschützt sind reagieren sehr empfindlich auf Chemikalien, auch Wasser und Luft und oxidieren.

Tragende Carbonteile müssen bei sicherheitsrelevanten Teilen sehr vorsichtig behandelt werden. Haarrisse, in denen Wasser und Luft eindringen können, können das Bauteil ohne vorherige Warnung kollabieren lassen.

Ein Artikel über Carbonfelgen von 2014 und man sieht, auch 7 Jahre danach haben sich die Carbonfelgen noch nicht in der Breite durchgesetzt:

https://www.welt.de/.../...edlen-Carbon-Felgen-haben-ihre-Tuecken.html

Kurz: Stahl, Alu-, Magnesiumlegierung, Titan, Carbon, Kunsstoff - alles hat seine Berechtigung. Wo Leichtbau, wo es auf Zehntel ankommt, da neue Werkstoffe (in der Raumfahrt auch gerne Titan und Beryllium) einsetzen.

Aber jedes Material muss auf seine Eigenschaften, auf seine Aufgaben hin konstruiert und eingesetzt werden.

Dann können die Materialien auch ihre spezifischen Stärken ausspielen.

Da hat einer z.B. 195/14er-Reifen auf 5 Zoll breiten Stahlfelgen und der rüstet dann auf Alufelgen um, aber natürlich breiter, denen wenn schon, denn schon, also z.B. auf 225/17 und 7 Zoll Felgen. Dann ist die Alufelge aber nicht nur 3 Zoll größer, sondern auch 2 Zoll breiter, das die dann nicht oder kaum leichter ist, ist doch verständlich.

Aber es ist ein unfairer Vergleich, eine man eine 5x14 Zoll Stahlfelge mit einer 7x17 Alufelge vergleicht, aber so ist das Gerücht entstanden, dass Alufelgen nicht leichter sind, was sie bei gleicher Größe, in den meisten Fällen, aber doch wären.

Zitat:

@4Takt schrieb am 6. Juni 2021 um 09:25:24 Uhr:

Da hat einer z.B. 195/14er-Reifen auf 5 Zoll breiten Stahlfelgen und der rüstet dann auf Alufelgen um, aber natürlich breiter, denen wenn schon, denn schon, also z.B. auf 225/17 und 7 Zoll Felgen. Dann ist die Alufelge aber nicht nur 3 Zoll größer, sondern auch 2 Zoll breiter, das die dann nicht oder kaum leichter ist, ist doch verständlich.

Aber es ist ein unfairer Vergleich, eine man eine 5x14 Zoll Stahlfelge mit einer 7x17 Alufelge vergleicht, aber so ist das Gerücht entstanden, dass Alufelgen nicht leichter sind, was sie bei gleicher Größe, in den meisten Fällen, aber doch wären.

Habe SR Allu und WR Stahl in gleiche Große, Allu 1kg pro Rad schwerer sind als Stahl, habe ich waage gemessen.

PS: Bei mir 205/55 R16, Stahl - 16kg, Allu - 17kg. Vor ein Monat, wann meinen Nachbarn haben in massen reifentausch gemacht haben, habe ich mit Waage Räder gemässen (verschiedene Großen), schwerste Rad war 30kg.

Gruß. I.

Stahlfelgen sind wohl leichter wie viele denken.

 

Muss mal hier den Beitrag suchen wo ich den Artikel gepostet habe wo getestet wurde wie sich verschiedene Reifengrößen auf die Beschleunigung auswirken.

Zitat:

@GaryK schrieb am 4. Juni 2021 um 10:53:16 Uhr:

Und die billigen Alus sind meist sogar schwerer als Stahlfelgen.

Das ist ein Mythos. Das kann theoretisch sein, ist aber in der Realität kaum der Fall.

Doch, genau das ist der Fall u d auch einer der Gründe, warum schwach motorisierte Fahrzeuge eher mit kleiner dimensionierten Stahlfelgen ausgeliefert werden.

Zitat:

@Rasanty schrieb am 6. Juni 2021 um 11:24:43 Uhr:

Doch, genau das ist der Fall u d auch einer der Gründe, warum schwach motorisierte Fahrzeuge eher mit kleiner dimensionierten Stahlfelgen ausgeliefert werden.

Habe Gestern eine schwach motoriesierte gehabt und bei dem spürt man schon wann Klimakompressor einschaltet...

Und natürlich schwerere Räder werden seine spürbare Einfluss haben bei schwächere Autos.

Bei Autos mit mehr PS man druckt nur Gaspedal stärker und merkt nix.

Gruß. I.

Zitat:

@Rasanty schrieb am 6. Juni 2021 um 11:24:43 Uhr:

Doch, genau das ist der Fall u d auch einer der Gründe, warum schwach motorisierte Fahrzeuge eher mit kleiner dimensionierten Stahlfelgen ausgeliefert werden.

Meist ist es ja so:

Günstige Alufelgen schwer

Mittelpreisige Alus schon etwas leichter

Richtig leichte Alufelgen Kosten meistens auch richtig Geld.

Leichtbau war noch nie günstig.

Es gibt auch relativ günstige und für den Preis Recht leichte Felgen

Die Frage vom TE ist eigentlich eine sehr Interessante!

Leider sind die Antworten wenig fundiert abgegelitten...

 

Ich versuche mal ein wenig dazu zu schreiben (bin Maschinenbau Student Schwerpunkt Werkstoffe und Konstruktionen und sitze grad an meiner Bachelorarbeit).

 

Punkt 1. du vergleichst die Werkstoffkenngrößen der Reinstoffe, in einer Alufelge ist kein reines Aluminium, eher eine AlMgSi Legierung, selbst geringe Mengen anderer Metalle haben einen großen Einfluss auf die Materialeigenschaften. Magnesiumfelgen werden mit ziemlicher Sicherheit kein reines Magnesium enthalten, allein schon wegen der aggressiven Reaktion mit Wasser.

 

2. allein vom E-Modul kann man die Festigkeit nicht abhängig machen. Der E-Modul beschreibt die Spannung (also eingesetzte Kraft pro Querschnittsfläche der Zugprobe) pro Dehnung (Längenänderung der Zugprobe in %).

Dadurch weiß man zwar wie leicht man das Material elastisch dehnen kann, weiß aber noch nicht wo die Reise hin geht. Hier werden weitere Werkstoffkenngrößen wie z.B. die Dehngrenze oder die 0,2% Dehngrenze (darüber findet plastische Verformung statt und die wollen wir bei Felgen ja nicht).

Diese ist z.B. bei MgZn6Zr bei 250MPa und bei AlMgSi0,5 bei 190MPa (ich weiß leider nicht welche Magnesiumlegierungen im Felgenbau henutzt werden, dies sind nur Beispiele)

 

3. auch nicht-Eisen-Legierungen können gehärtet werden (auch wenn der Prozess etwas anders ist), das wird häufig bei AlCu oder AlMg Legierungen gemacht um die Festigkeit massiv zu erhöhen, der E-Modul bleibt dabei aber eher unverändert durch das Härten.

Inwieweit Legierungen mit deutlich höherem Magnesiumgehalt härtbar sind, weiß ich so spontan leider nicht, kann mir aber gut vorstellen, dass ein Härtevorgang teil des Produktionsprozesses einer Magnesiumfelge sein kann.

 

Ich hoffe so ein wenig Licht auf die ursprüngliche Frage geworfen zu haben ohne dabei zu Tief in die Werkstofftechnik eingedrungen zu sein.

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