Crashrohre für Lenksäulen und Stoßstangen

Crashrohre müssen als höchst sicherheitsrelevante Komponenten besonders strengen Anforderungen genügen. Felss arbeitet bei der Entwicklung und Produktion der komplexen Elemente für Lenksäulen und Stoßstangen eng mit den Kunden zusammen.


Sicherheitssysteme

Crashrohr

Präziser
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Komplexe Geometrien bei höchster Genauigkeit.

Viele technische Details garantieren die Sicherheit im Auto. Nicht wenige dieser Lösungen werden vom Fahrer gar nicht wahrgenommen – wenn kein Unfall passiert. Ein besonders interessantes Bauteil im Sicherheitssystem befindet sich an der Lenksäule. Damit der Fahrer bei einem möglichen Aufprall auf das Lenkrad möglichst wenig verletzt wird, verfügen viele Lenksäulen über ein sogenanntes Crashrohr.


„Weil die Konstruktion so anspruchsvoll ist, mussten wir einen neuen Produktionsprozess mit neuen Anlagen entwickeln“, sagt Rolf Käser, Geschäftsführer von Felss Rotaform Schweiz.

Dieses anspruchsvolle Bauteil produzieren die Rohrexperten von Felss Rotaform Schweiz im Auftrag von ZF Lenksysteme. Bei einem Unfall ist das Lenkrad für den Fahrer eine Gefahr. Stößt der Körper mit großer Wucht auf das Hindernis, kann es trotz Sicherheitsgurt zu schweren Verletzungen kommen. Bei ZF Lenksysteme in Bremen wird aus diesem Grund ein unscheinbares Rohr verbaut, das sich im oberen Teil der Lenksäule unterhalb des Lenkrads befindet. Stößt der Fahrer mit großer Aufschlagsenergie auf das Lenkrad, reißt das kurze Crashrohr durch den Schlag in mehrere Streifen, die sich wie eine Bananenschale nach außen schälen. Dadurch gibt das gesamte Lenkrad in Bruchteilen von Sekunden ein kleines Stück nach und die Aufprallenergie wird minimiert – ein ebenso einfaches wie geniales Konzept und Bestandteil von ausgefeilten Sicherheitssystemen in Fahrzeugen. Die Konstruktion des Crashrohrs stellt eine ganze Reihe von Herausforderungen an die Prozessentwickler bei Felss Rotaform: Es ist besonders dünnwandig und gleichzeitig verfügt es im Inneren über fünf symmetrisch angeordnete Nuten. Sie bilden die angesprochenen Sollbruchstellen. Nach dem Rundkneten wird das Rohr an einem Ende aufgeweitet und eingeschnitten – vier Zungen sind leicht nach außen gebogen. „Weil die Konstruktion so anspruchsvoll ist, mussten wir einen neuen Produktionsprozess mit neuen Anlagen entwickeln“, sagt Rolf Käser, Geschäftsführer von Felss Rotaform Schweiz.


Crashrohr sägen als erste Herausforderung

"Das Crashrohr wird durch eine Art „Sägeloch“ geschoben" erklärt Eckard Morlock, Geschäftsführer von Felss Rotaform Deutschland.

Die Herausforderung beginnt dabei schon im ersten Produktionsschritt: dem Längenzuschnitt des Rohlings. Damit das extrem dünnwandige Rohr während des Sägeprozesses präzise und mit einem sauberen Schnitt getrennt werden kann, kommt bei Rotaform ein Sägeblatt zum Einsatz, dessen Sägeverzahnung nach innen gerichtet ist. Das Crashrohr wird also durch eine Art „Sägeloch“ geschoben. Die Maschinenspindel macht zugleich eine Walkbewegung. „Dadurch greifen viele Zähne ein und es kommt zu einem weichen Schnitt“, erklärt Eckhard Morlock, Geschäftsführer bei Felss Rotaform.


Kontrolliertes Einreißen des Crashrohrs

Kontrolliertes einreissen des Crashrohrs.

Anschließend erfasst eine Ausrichtstation das Rohr optisch und bringt es in die richtige Position für die nachfolgenden Produktionsschritte: Nach dem Stanzen von fünf Löchern wird eine Seite aufgeweitet. Dabei reißt das Rohr präzise bis zu den Löchern auf. „Um diesen empfindlichen Prozess sicherzustellen, umschließt eine Art Außenring das Rohr, bevor das Auftulpwerkzeug in das Rohr eindringt“, erklärt Jecklin eine weitere Anlagenlösung bei Felss Rotaform.


Komplettverantwortung für Crashrohr bei Felss Rotaform

"Nur ein kleines Detail wurde verändert: die Form der gestanzten Löcher. Sie sind seitdem tropfenförmig und vereinfachen dadurch das Aufreißen des Crahsrohrs bei einem Unfall," so Käser.

„Wir haben für dieses Bauteil zusammen mit unseren Maschinenbaupartnern einen komplexen Produktionsprozess entwickelt, den es in dieser Form zuvor nicht gab“, erklärt Käser. Seit dem Produktionsstart 2004 trägt Felss Rotaform die Verantwortung für die gesamte Produktion des Crashrohrs. Dabei geht es nicht nur um den Einsatz der optmimalen Verfahren wie Sägen, Rundkneten oder Auftulpen. Felss Rotaform definierte zum Beispiel gemeinsam mit dem Rohrlieferanten auch die Oberflächenbeschaffenheit der Rohlinge. Das Vertrauen des Kunden ZF Lenksysteme in das Prozess- und Produktions-Know-how der Schweizer in Sachen Sicherheitssysteme zeigte sich zudem bei einer Weiterentwicklung, wie Daniel von Deschwanden, der Projektleiter bei Felss Rotaform, abschließend verdeutlicht: „Die Kräfte, die auf den Fahrer bei einem Aufprall auf das Lenkrad wirken, waren bei einem Crash anfangs noch etwas zu hoch. Wir haben deshalb gemeinsam mit den ZF-Konstrukteuren zwei Jahre später nach einer verbesserten Lösung gesucht und sie auch produktionstechnisch umgesetzt.“ Nur ein kleines Detail wurde verändert: die Form der gestanzten Löcher. Sie sind seitdem tropfenförmig und vereinfachen dadurch das Aufreißen des Crahsrohrs bei einem Unfall.


An der „Grenze des Machbaren“: bis zu 500.000 Crashelemente pro Jahr für die Stoßstange

Komponentenfertigung bei Felss Rotaform.

Sicherheitssysteme in und am Auto sind häufig eine Frage von Mikrometern. Die betroffenen Bauteile müssen in höchster Genauigkeit produziert werden, um die benötigte Funktionalität garantieren zu können. Ein besonders interessantes Beispiel produzieren derzeit die Umformspezialisten von Felss Rotaform im Auftrag von ZF Friedrichshafen AG. Crashrohre sorgen dafür, dass bei einem Aufprall Teile der Karosserie und des Antriebs vor Beschädigung geschützt werden. Ihre ungewöhnliche Form forderte die Produktionsplaner von Felss Rotaform in mehrfacher Hinsicht heraus. Auf den ersten Blick sieht das Crashrohr wie ein in die Länge gezogener Trichter aus. Es ist auf der einen Seite aufgeweitet, an seinem anderen Ende hingegen etwas verengt. Dazwischen verläuft es gerade. „Das durch Rundkneten, Axialformen und Aufweiten bearbeitete Rohr sieht zunächst nicht besonders spektakulär aus und trotzdem ist seine prozesssichere und effektive Produktion eine echte Herausforderung, von der am Ende sehr viel abhängt“, erklärt Eckhard Morlock, Geschäftsführer von Felss Rotaform in Deutschland am Standort Bretten-Gölshausen.


Wandstärke bei Sicherheitssystemen von großer Bedeutung

"Im Fall eines Highspeedcrashs darf das Crashrohr nicht brechen", so Morlock.

Die vordere Stoßstange eines Autos ist an zwei dieser Crashrohre aufgehängt. Bei einem Aufprall von bis zu 16 Stundenkilometern verformen sie sich und absorbieren die Crashenergie. Die Folge: Im Reparaturfall muss nur der Stoßfänger ausgetauscht werden, das Fahrzeug selbst wird vor einem größeren Schaden bewahrt. Die Reparaturkosten bleiben gering und das Fahrzeug wird in eine niedrigere Kaskoklasse eingestuft. Aber auch andere Sicherheitssysteme des Fahrzeugs profitieren, denn durch die konstant eingestellte Verformungskraft der Crashabsorbers lässt sich z.B. die Auslösung der Airbags präzise einstellen. Die Anforderungen an das Crashrohr selbst und seine Materialbeschaffenheit sind hoch. Im Fall eines Highspeedcrashs darf es genauso wenig wie der Stoßfänger brechen. Nur so lässt sich sicherstellen, dass der Vorderwagen möglichst wenig verformt wird. „Für die innovative Gesamtkonstruktion sind die Wandstärke und Maßhaltigkeit des Rohrs von herausragender Bedeutung. Deshalb sind seine Maße extrem präzise vorgegeben“, so Morlock.


Umformung ist rekursivmoduliert

Hinzu kommt eine Herausforderung, die für die Komponentenfertiger der Normalfall ist, denn pro Jahr entstehen bis zu 500.000 Crashrohre. Was eine großvolumige Produktion also fordert, ist ein hohes Maß an Wiederholgenauigkeit. Produktionstechnisch steht bei Felss Rotaform dabei zunächst das sogenannte frequenzmodulierte Axialformen im Zentrum (bitte beachten Sie Bild 4). Die gesamte Form des Rohrs wird in nur einem Arbeitsgang hergestellt. Damit der Rohling dabei nicht gestaucht wird, werden die Axialkräfte während der Umformung mittels eines von Felss patentierten Verfahrens reduziert. Das Werkzeug wird frequenzmoduliert zugeführt. Dabei verändert sich das Fließverhalten des Werkstoffs und die benötigte Kraft ist um bis zu 40 Prozent geringer.


Oberfläche des Innendorns verändert

Felss Crashrohr

„Allerdings müssen wir das Verfahren in diesem Fall sehr genau auf das Bauteil abstimmen“, erklärt Morlock. „Im vorliegenden Fall war es zum Beispiel eine besondere Herausforderung, dass das Crashrohr an einem Ende beachtlich aufgeweitet wird und sein Material gleichzeitig beim Rundkneten in die Länge fließen muss. Um ein optimales Fließverhalten sicherstellen zu können, haben wir die Oberflächenbeschaffenheit des Dorns verändert, der sich während der Umformung im Bauteil befindet. Er ist – einfach gesagt – etwas rauer. Das verbessert den Materialfluss.“


Prozesssicheres Verfahren

Prozesssicheres Verfahren

Umformtechnisch bewegen sich die Rohrspezialisten an der Grenze des Machbaren – weiter als bisher ließe sich das Crashrohr an seinem trichterförmigen Ende nicht mehr aufweiten. Die Wandstärke des Rohlings setzt hier natürliche Grenzen. Wie schwierig das Verfahren ist, zeigte sich bei einem anderen Zulieferunternehmen, das zuvor im Auftrag von ZF Friedrichshafen AG das Crashrohr im konventionellen Fließpressverfahren produzieren wollte. „Hier kam es zu Mikrorissen im Bauteil, die zum Teil nur schwer zu erkennen sind. Das ist nicht nur bei Sicherheitssystemen inakzeptabel. Wir haben im Rahmen des frequenzmodulierten Umformens einen Weg gefunden, der eine prozesssichere und hoch effektive Produktion garantiert“, so Morlock abschließend.