Automobilbau

Immer schneller und sicherer sind die Autos geworden, aber auch immer gewichtiger. Jetzt haben sich viele Hersteller die Entwicklung von Light-Versionen vorgenommen – und bekommen zu spüren, wie schwer das ist.

Unsere Autos neigen zur Verfettung: Immer sicherer, schneller und komfortabler sind sie geworden – aber Airbag, größere Motoren und Klimaanlage haben sie auch immer schwerer gemacht. Der 80 PS starke BMW 1500, Vorläufer des heutigen »Dreiers«, kam 1963 zum Preis von 8990 Mark auf den Markt und wog knapp eine Tonne. Der Dreier-BMW, Baujahr 2003, leistet 115 PS, kostet 24000 Euro – und bringt 1,394 Tonnen auf die Waage: Wie der Preis ist auch das Gewicht gestiegen. Musste früher jedes PS 13 Kilogramm »schleppen«, sind es 40 Jahre später gerade mal 900 Gramm weniger. Eine erschreckende Bilanz: Das Leistungsgewicht ist so gut wie nicht gestiegen – obwohl die PS-Zahlen im Durchschnitt um ein Drittel höher liegen.

Aus ökologischer Sicht bedeutet diese Bilanz: Heutige Autos bergen in punkto Spritverbrauch noch ein erhebliches Sparpotenzial – durch Abspecken. Dass weniger Gewicht weniger Kraftstoffkonsum bedeutet, hat das Institut für Kraftfahrwesen der Technischen Hochschule Aachen bewiesen. So lassen sich bei Fahrzeugen mit Ottomotor etwa drei Prozent Treibstoff einsparen, wenn das Gewicht um 100 Kilogramm reduziert wird. Hat ein Auto beispielsweise einen Verbrauch von 7,5 Litern auf 100 Kilometer, würde es nach dem Abspecken 0,2 Liter weniger verbrauchen. Aber wo will man damit beginnen? Bei der Klimaanlage, die – wenn sie auf Hochtouren läuft – nicht nur bis zu zehn PS Leistung, sondern auch 1,5 Liter Sprit »schluckt«? Welcher Hersteller möchte seine Kunden schon um den Komfort angenehmer Temperaturen bringen?

Den Königsweg der Gewichtsreduzierung zu finden bereitet den Konstrukteuren einiges Kopfzerbrechen. Ingenieur Peter Hutmann zum Beispiel, Leiter der Werkstofftechnik bei BMW, steht unter dem Druck, die Gewichtsspirale bei Neuentwicklungen nachhaltig zu stoppen, sei es durch den Verzicht auf nicht unbedingt Notwendiges oder durch den Einsatz leichterer Materialien – es dürfen auch exotische sein.

Eine Gewichtskur ist »ein sehr aufwändiges und anspruchsvolles Vorhaben«, gibt Hutmann unumwunden zu. So sei der Erfolg der Verzichtsmethode – »einfach weglassen« – im Einzelfall zwar begrenzt, aber es läppere sich. Beispielsweise verfügen allein die vorderen Sitze eines Luxusautos über fast ein Dutzend elektrische Motoren; die Gesamtzahl solcher Helfer kann sich in einer gut ausgestatteten Limousine auf knapp 100 addieren. Hinzu kommen: die opulente Lederausstattung, hochflorige schwere Teppiche, die Innenbeplankung mit Edelhölzern oder die Auskleidung mit Dämmmaterial zur Geräuschminderung. All das erhöht das Gewicht. Abspecken geht hier zwar auf Kosten des Komforts, bringt aber gut und gern 100 Kilogramm.

Kaum sparen kann man an der Elektronik. In heutigen Autos steckt bereits mehr Rechenpower als in einem Airbus A300 der ersten Generation oder in der Apollokapsel der Mondmission. Bordcomputer steuern die bis zu acht Airbags, die Stotterbremse ABS und die Stabilitätskontrollen ESP oder DSC: ein Paket, das rund 40 Kilogramm wiegt, aber für jede Radikalkur tabu ist – Sicherheit geht vor.

Bleibt die Karosserie als Ganzes: Den Löwenanteil beim Abspecken bringt der intelligente Leichtbau. Es geht darum, so Hutmann, den »richtigen Werkstoff am richtigen Ort« einzusetzen. Zur Wahl stehen Metalle wie Stahl, Aluminium oder Magnesium sowie faserverstärkte Kunststoffe auf Polymer- und Kohlenstoffbasis.

Sich beim Karosseriebau einfach für das leichteste dieser Materialien zu entscheiden ist aber nicht immer möglich. Denn es gibt Faktoren, die den kompromisslosen Einsatz begrenzen: Die Kosten dürfen nicht zu hoch sein; die Anforderungen der Massenfertigung am Fließband sind zu berücksichtigen; Crashsicherheit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit müssen ebenso gewährleistet sein wie das Recycling.

Als die eleganteste Lösung gelten die kohlefaserverstärkten Kunststoffe mit ihrem durchscheinenden Gewebe aus gold- oder silberfarbenen Fäden. Sie sparen gegenüber Aluminium rund ein Drittel und gegenüber Stahl etwa 70 Prozent an Gewicht. Ihr Manko: Meist scheitert ein großflächiger Einsatz am Preis.

Und der in die Defensive gedrängte »schwere« Stahl? Materialforscher haben inzwischen Edelstahlsorten entwickelt, die leichter, aber fester sind als herkömmliche Stähle – und deren Qualitäten sich ganz gezielt einsetzen lassen. So kann man ihre Härte an ihren Verwendungszweck anpassen – je nachdem also, ob sie in der weichen Knautschzone oder im harten »Sicherheitskäfig« der Passagierzelle verbaut werden. Bei herkömmlichen Serienfahrzeugen ist heute schon ein Mix aus neun verschiedenen Stahlsorten zur Rohkarosserie verschweißt.

Neben diesen hochfesten Stählen kommen so genannte Tailored Blanks zum Einsatz: für die jeweiligen Anforderungen maßgeschneiderte Stahlbleche von variabler Dicke. Im stark belasteten vorderen Bereich sind sie auf 1,15 Millimeter ausgewalzt, im wenig geforderten hinteren auf nur 0,88 Millimeter – das spart Gewicht.

Große Erfolge haben die Autobauer auch mit dem »Bake Hardening«-Stahl erzielt. Dank seiner hohen Festigkeit hält er extremen Belastungen stand – deshalb lässt er sich dünner verarbeiten und zur Gewichtsreduzierung einsetzen. Das Besondere an dieser Stahlsorte ist, dass sie ihre Mikrostruktur im Molekularbereich ändern kann. Am Anfang der Karosserieherstellung ist das Material noch weich – ideal für die Fließbandfertigung, denn weicher Stahl kann einfacher mit anderen Stahlsorten verschweißt werden. Wenn das Stahlkleid fertig ist, wird es an den entscheidenden Stellen durch Hitze gehärtet – dazu genügen die 200 °C im Trocknerofen der Lackieranlange.

Aus einer anderen Trickkiste der Werkstoffexperten kommen die »Trip-Stähle«. »Trip« ist die Abkürzung für »Transformation induced plasticity« und meint die nachträgliche Härtung des Stahls in der weiteren Verarbeitung: Das Biegen des Bleches bei der Karosserieherstellung verändert das so genannte Metallgitter der Molekülanordnung derart, dass ein höherer Härtegrad entsteht. Deshalb macht auch »Trip« den Einsatz dünnerer Bleche möglich – der Wagen wird leichter. Eine solche mit Spezialstählen gewichtsoptimierte Rohkarosserie des Dreier-BMWs wiegt nur 180 Kilogramm – 50 Kilo weniger als in konventioneller Fertigung.

Beim »M3« mit dem Kürzel »CSL« (»Coupé, Sport, Leichtbau«) wollten die Schlankheitsfanatiker von BMW noch mehr: Runter von den 1570 Kilogramm des »normalen« M 3 – und zwar deutlich! (siehe auch obere Illustration.) Das Sparprogramm im Einzelnen:

- Durch das Dach aus kohlefaserverstärktem Kunststoff statt Stahl ist der Wagen um sechs Kilogramm abgespeckt. Den teuersten und zugleich leichtesten Werkstoff an der höchsten Stelle der Karosserie zu platzieren hat noch einen weiteren Vorteil: Der Schwerpunkt wird gesenkt, das Fahrverhalten verbessert.

- Leichtgewichtige Glasfaser-Kunststoffe aus der Raumfahrt sind zum Einsatz gekommen. Etwa für den Gepäckraumboden: Drei Sandwichplatten in Wabenstruktur übereinander verleihen ihm ausreichend Festigkeit. Auch die Trennwand zwischen Fahrgastzelle und Gepäckraum besteht aus »spacigem« Material. Da dieses Bauteil eine Öffnung für das Beladen mit langen Gegenständen besitzt, muss es eine besonders hohe Stabilität besitzen; Stahl wäre zu schwer gewesen – man entschied sich für den Baustoff Endlosglasfaser-Thermoplast.

- Für die gering belastete Heckscheibe wurde besonders dünnes Glas verwendet.

- Die Motorhaube besteht aus dem schon klassischen Leichtbaustoff Aluminium.

Am Ende kam der M3 CSL auf 1395 Kilogramm Leergewicht: knapp 200 Kilogramm eingespart, Ziel erreicht. Dennoch erscheinen 1395 Kilogramm auf den ersten Blick immer noch recht viel, wenn man bedenkt, dass der kleinste Dreier-BMW, der 316i mit 115 PS, auch nicht mehr wiegt – und der ist konventionell aus Stahl gefertigt (siehe Illustration links oben). Hier zeigen sich die Grenzen des Leichtbaus: Ein Auto mit großem Motor, der M3 CSL hat einen Sechszylinder mit 360 PS, und notwendigerweise aufwändigerem Fahrwerk kann kein Federgewicht werden – Leichtbau hin oder her. Und jedes Kilogramm, das man hier einspart, kostet richtig Geld: Für den M3 in Stahl sind 54000 Euro zu zahlen – seine Light-Version ist 31000 Euro teurer.

Einen anderen Weg ist Opel mit dem puristischen »Speedster« gegangen. Komplett aus Aluminium geklebt, wiegt der Roadster gerade mal 900 Kilogramm, und sein 200-PS-Turbomotor verhilft dem 36000 Euro teuren Zweisitzer zu »funtastischen« Fahrleistungen, wie DTM-Pilot Manuel Reuter meint. So konsequent setzt kaum jemand auf einen bestimmten Leichtbaustoff. Die große Mehrheit der Autohersteller entscheidet sich für Hybrid-Karosserien, die aus verschiedenen Materialien gemixt sind. Dabei setzt sich bei den auf Leichtbau getrimmten Fahrzeugen der Großserie folgende Aufteilung durch:
HAus Stahl sind etwa Dachsäulen sowie Längs- und Querträger – Bereiche also, die bei einem Unfall extrem stark beansprucht werden.

- Aluminium wird für groß-flächige Teile wie Motorhaube, Dach, Rückwand und Heck-Kotflügel verwendet.

- Aus Magnesium bestehen beispielsweise die mechanischen Teile in den Türen, der Instrumententräger, das Lenkradskelett und das Zündschloss. Der Vorteil des leichten, aber sehr teuren Werkstoffs: Dank seiner extrem dünnflüssigen Schmelze lassen sich daraus die kompliziertesten Formen unter Druck aus einem Stück gießen.

- Kunststoffe werden in den Anbauteilen wie Kofferraumdeckel, Stoßfänger und vorderen Kotflügeln verarbeitet.

Neben der Karosserie bieten auch Fahrwerk, Motor und Getriebe ein hohes Potenzial zum Gewichtsparen. Besonders in größeren Motoren ab 1,4 Liter Hubraum werden häufig Aluminiumteile verbaut: So ist ein Kurbelgehäuse aus Aluguss um 25 Prozent leichter als eines aus Grauguss. Man denkt sogar darüber nach, in Zukunft die Grundkomponenten eines Motors wie Kurbelgehäuse, Zylinderkopf oder Ölwanne aus Magnesium oder Magnesium-Verbundwerkstoffen herzustellen: Das bringt gegenüber Aluminium ein weiteres Gewichtsminus von 25 Prozent.

Wie viel detektivische Feinarbeit bei der Suche nach den überflüssigen Pfunden eines Sportwagenmotors notwendig ist, zeigt das Beispiel des Triebwerks im neuen Porsche GT 3: Grammweise hat man es abgespeckt, bis es 3,5 Kilogramm weniger wog – dabei wurde gleichzeitig die Leistung aus den 3,6 Liter Hubraum um 21 auf 381 PS erhöht. Zum Beispiel verringerten die Motorentechniker die Masse einiger bewegter Teile – je weniger Masse im Motor bewegt wird, umso mehr Leistung fließt den Antriebsrädern zu. 404 Gramm Gewichtsersparnis bringen die verkürzten »Kolbenhemden«, also die Seitenwände der Kolben. Neue Kolbenbolzen, die die Verbindung zur Pleuelstange herstellen, schlagen mit je 25 Gramm minus zu Buche. Insgesamt wiegen die sechs Kolben jetzt drei Kilogramm – 288 Gramm oder fast neun Prozent weniger als bisher.

Die Pleuelstange ist aus Titan gefertigt und dadurch 418 Gramm leichter. Der Verzicht auf den Schwingungstilger an der Kurbelwelle bringt zwei Kilogramm weniger. Die um 19 Prozent leichteren Ventile sowie weiteres Feintuning reduzierten das Motorgewicht schließlich summa summarum um jene 3,5 Kilogramm, auf die Ingenieure der Rennsportabteilung in Weissach so stolz sind. Auch die vier Bremsscheiben haben abgespeckt: Der Einsatz von Keramik statt Stahl senkt ihr Gewicht um 18 Kilogramm – die leichten Bremsen gibt’s allerdings nur gegen satte 7830 Euro Aufpreis.

Sind die Möglichkeiten des Leichtbaus mit »Kuren« à la BMW, Opel und Porsche damit ausgereizt? Diese Frage wird eine neue Simulations-Software von DaimlerChrysler beantworten. Sie soll ermitteln, welches Material für welches Bauteil besonders geeignet, kostengüns-tig und umweltverträglich ist. Der Rechner überprüft auch, ob es sich für die Fertigung (Schweißen, Kleben, Nieten) eignet und Crashtests gut übersteht. Auf diese Weise könnten die Konstrukteure künftig eine Vielzahl alternativer Materialien und deren Kombinationen »durchspielen«, ohne aufwändige Prototypen bauen zu müssen. Wenn das computergestützte Abspecken gelingt, steht uns die Revolution im Leichtbau erst noch ins Haus.