Gewichtsreduktion im Fahrwerk
Im Vergleich: Die grüne GFK-Feder hat einen dickeren Draht und ein größeres Volu-men, baut aber erheblich leichter als die schwarze Stahlfeder (Foto: Audi).
Schraubenfedern aus GFK
25.04.2012/Audi. Der Werkstoff GFK erobert ein weiteres Bauteil: die Schraubenfeder. Die neue Feder aus glasfaserverstärktem Kunststoff, für Fahrwerksanwendungen in Pkw und leichten Nutzfahrzeugen gedacht, ist erheblich leichter als ihr Pendant aus Stahl, außerdem korrosionsbeständig, auch bei Steinschlag, und praktisch unempfindlich gegenüber Chemikalien wie Felgenreinigern. Auch sollen mit der Neuentwicklung Fahrkomfort und Eigenschaften verbessert werden. Hierzu zählen eine stärkere Geräuschreduzierung auf harten Oberflächen sowie höhere Eigenfrequenzen. Zudem verbraucht die Herstellung der GFK-Federn weniger Energie als die Fertigung der Stahlfedern. Es ist die Rede von einem drei- bis fünfmal niedrigeren Energieverbrauch.
40 Prozent leichter
Die GFK-Feder, ein Vorentwicklungsprojekt von Joachim Schmitt, welches er gemeinsam mit dem Patentinhaber SOGEFI entwickelt hat, unterscheidet sich deutlich von einer herkömmlichen Stahlfeder. Ihr so genannter Draht ist dicker, ihr Gesamtdurchmesser bei geringerer Windungs-Anzahl etwas größer. Vor allem aber ist sie viel leichter. „Die heutige Stahlfeder an der Vorderachse des Audi A4 wiegt 2,66 Kilogramm“, erklärt der Ingenieur. „Bei der GFK-Feder sind es nur 1,53 Kilogramm, also gut 40 Prozent weniger Gewicht bei ebenso guten Eigenschaften.“
Prototypen-Herstellung
Eine Helix aus glasfaserverstärktem Kunststoff eignet sich exzellent zur Aufnahme von Torsionsspannungen, wenn sie gezielt darauf ausgelegt ist. Als Kern der Feder dienen lange, miteinander verdrillte Glasfasern, die mit Epoxidharz getränkt werden. Um diese „Seele“, die wenige Millimeter Durchmesser hat, wickelt eine Maschine weitere Fasern, abwechselnd in +45 Grad und -45 Grad Winkel zur Längsrichtung; diese Zug- und Drucklagen stützen sich gegenseitig. Die Torsionsspannungen im Querschnitt des Bauteils werden in Zug- und Druckspannungen in der Faser umgewandelt. Im nächsten Schritt wird der noch weiche und nasse Draht auf einen Metallkern aus einer niedrig schmelzenden Legierung gelegt, der die Negativform der künftigen Feder darstellt. In einem Ofen härtet das GFK-Material bei über 100 Grad Celsius aus, während die Form schmilzt. In diesem Verfahren entstehen derzeit die Prototypen. Für die spätere Großserie sind 1.000.000 Stück im Jahr geplant.
Anpassung der Feder-Eigenschaften
Bereits heute können die GFK-Federn präzise auf die Wünsche der Fahrwerks-Ingenieure abstimmen werden – auf das Auto, die Achslast und den Komfort- und Handling-Charakter; sie brauchen nur die Länge des Drahts, seinen Durchmesser und die Windungszahl anzupassen. Gemäß den Erwartungen des Ingenieurs wird das GFK-Material in wenigen Jahren durch verbesserte Produktionsverfahren noch belastbarer werden; dann verringert sich der Raumbedarf auf das Maß der heutigen Stahlfedern.
Erster Einsatz in Audi R8 e-tron
Das Debüt der neuen GFK-Federn wird noch 2012 im elektrisch angetriebenen Audi R8 e-tron stattfinden, 2013 soll der Einsatz in mehreren Stufen im großen Stil in den Mittel- und Oberklassemodellen folgen. Derzeit finden die Dauererprobungen auf der Straße statt, flankiert von Test-Marathons auf speziellen Prüfständen; jeder von ihnen belastet die Feder so stark wie rund 300.000 Kilometer in Kundenhand.
