Leichtbau im Kfz - am Beispiel des Audi Q7

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Die Automobilhersteller und Zulieferer kämpfen seit Jahren an allen Ecken und Enden des Fahrzeugs darum, Gewicht einsparen zu können. Das Ziel ist klar: Jedes Kilogramm an Gewicht, dass das Auto weniger auf die Straße bringt, vermindert den Kraftstoffverbrauch und somit den CO2-Ausstoß. Seit dem Jahr 2000 reduzierte sich die CO2-Emission der europäischen Pkw-Flotte um etwa ein Viertel - obwohl Leistung und Gewicht der Fahrzeuge gleichzeitig stiegen.

Die Reduktion der CO2-Emissionen ist aktuell der wichtigste Markttreiber in der Automobilindustrie. Denn schon ab 2015 müssen die OEMs für jedes Gramm CO2, das ihre Neufahrzeugflotte mehr als die aktuell geltenden 130 Gramm CO2 pro Kilometer emittiert, Strafe zahlen. Und später wird es noch teurer, da der Grenzwert für 95 Prozent aller neuen Pkw im Jahr 2020 auf 95 Gramm CO2 pro Kilometer festgesetzt wurde. Auf dem Weg diese Werte zu unterbieten werden gute und mitunter auch unkonventionelle Ideen verwirklicht.

Es ist unbestritten, auf dem Weg zu weniger Verbrauch und CO2 müssen die inzwischen „fett“ gewordenen Autos wieder abspecken. 100 Kilogramm weniger Masse beispielsweise lassen den Verbrauch eines Pkw um bis zu 0,3 Liter pro 100 Kilometer sinken.

Doch wie erreicht man Leichtbau im Kfz? Am Beispiel des Audi Q7 soll dies schwerpunktmäßig für Karosserie und Fahrwerk aufgezeigt werden.

Der Audi Q7 ist aktuell das leichteste Auto in der SUV Klasse

Der Audi Q7 3.0 TDI wiegt als Fünfsitzer gerade einmal 1.995 Kilogramm, als 3.0 TFSI nur 1.970 Kilogramm! Das sind im Vergleich zu seinem Vorgänger (je nach Ausstattung) bis zu 325 Kilogramm weniger.

Als Grund führt Audi in der Hauptsache die Leichtbaukarosserie in Multimaterialbauweise und das grundlegend neue Fahrwerk an. Allein die Karosserie spart 71 Kilogramm Gewicht, mit Anbauteilen (Aluminiumtüren 24 kg) also 95 Kilogramm. Dadurch werden nach Angaben von Audi pro Kilometer bis zu 50 g CO₂ eingespart. Auch im Fahrwerk hoben die Entwickler große Gewichtspotenziale – 27 Kilogramm bei der vorderen und 40 Kilogramm bei der hinteren Radaufhängung. Der Antriebsstrang schlägt mit 20 Kilogramm zu Buche, die Abgasanlage mit 19 Kilogramm.

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Der Audi Q7 wiegt bis zu 325 kg Gewicht weniger als sein Vorgänger (Bild Audi)

Weitere Einsparungen: Die Sitzanlage liefert eine Ersparnis von knapp 19 Kilogramm, der Modulquerträger unter der Instrumententafel bringt 3,5 Kilogramm und der Ladeboden 4 Kilogramm Einsparung. Die Radbremsen steuern 8,5 Kilogramm weniger Masse bei, die Verkabelung 4,2 Kilogramm, die Motorkühlung 8,7 Kilogramm und der 3.0 TDI-Motor 2,5 Kilogramm. Das Bremspedal besteht aus Aluminium, die Gewichtsersparnis hier 1.010 Gramm.

Einsparungen auch beim Preis?

Der Q7 Benziner mit 3.0 TFSI quattro und 8-stufiger Tiptronic kostet laut Preisliste inklusive Mehrwertsteuer 56.000,- €, der 3.0 TDI quattro Diesel beginnt bei 53.950 €. Das sind natürlich die Grundmodelle, nach oben geht da freilich noch was. Im Vergleich zum Vorgänger wird aber auch hier etwas abgespeckt, denn das Grundmodell des Benziners, der 3,6 Liter Quattro kostete 2007 bereits 58.850 € und der 3 Liter TDI quattro stolze 57.390 €, dies bei insgesamt weniger Ausstattung. Wie Untersuchungen von Auto, Motor und Sport zeigen sind die Ersatzteilpreise von Luxusmarken wie Audi, BMW oder Mercedes nicht zwangsläufig teurer, sondern im Gegenteil oft weit günstiger als Importmarken aus Asien, was Preisvergleicher wie www.kfzteile.net aufzeigen können. Allerdings hat auch der Focus bereits aufgezeigt, dass es bei bestimmten Ersatzteilen im sichtbaren Bereich wie Karosserieteilen hohe Aufschläge gibt. Was könnten Autofahrer sparen, wenn sie günstigere Ersatzteile bekämen?

Die Multimaterial-Karosserie spart 71 kg

Mit einer Gewichtseinsparung von 71 Kilogramm bei der Karosserie setzt der Audi Q7 ein Zeichen im Leichtbau. Die Karosserie ist in der vom A8 schon seit 20 Jahren bekannten Audi Space Frame Bauweise (ASF) hergestellt. Der Multimaterial-ASF des Q7 folgt jedoch einem neuen Konzept, das große Bauteile aus warmumgeformtem Stahl und Aluminium integriert.

Karosserie des Audi Q7 in Multimaterial Leichtbauweise -  (Bild Audi)

Bei der Stahlwarmumformung werden die Blechplatinen zunächst in einem Ofen auf etwa 900 Grad Celsius erhitzt, direkt danach gelangen sie in die Presse. Im wassergekühlten Werkzeug wird das Blech auf zirka 200 Grad abgeschreckt – dabei entsteht ein Gefüge von extremer Zugfestigkeit, die geringere Wandstärken und entsprechend niedriges Gewicht möglich macht.

Die warmumgeformten Bauteile bilden das hochfeste Rückgrat der Q7- Passagierzelle – sie verstärken den Übergang vom Vorderwagen zum Innenraum, die Seitenschweller, den Boden, den vorderen Bereich des Dachbogens und die B-Säulen. Ihr Anteil an der Karosseriezelle beträgt zwölf Prozent.

Durch intelligente Multimaterial-Bauweise ist die Q7-Karosserie im Vergleich zum Vorgänger 71 Kilogramm leichter. - Hendrik Risch, technische Entwicklung Audi Q7 -  (Bild Audi)

Die Aluminiumteile machen 41% aus

Die Federbeindome im Motorraum, die den Lagerbock für die oberen Achslenker integrieren, die benachbarte Gehängeaufnahme, die Verbindungsteile zwischen Schwellern und Längsträgern sowie die Scharnierverstärkungen für die Heckklappe bestehen aus Aluminium-Druckgussteilen, die Audi selbst produziert. Bei den vorderen Längsträgern und weiteren tragenden Teilen im Vorderwagen, den Endabschnitten der hinteren Längsträger sowie zwei Bauteilen im Heck kommen Aluminiumprofile zum Einsatz, die eine sehr hohe Energieaufnahme im Aufprallfall ermöglichen. Weite Bereiche des Bodens von Fahrgastzelle und Gepäckraum, der hinteren Radhäuser und des Dachs bestehen aus Aluminiumblechen. Unterm Strich hat das leichte Material 41 Prozent Anteil an der Karosseriestruktur.

Der Materialmix ist bei diesem Schnittmodell gut zu erkennen - Bild kfztech.de

Die Türen, die 24 Kilogramm leichter sind als beim Vorgängermodell, die vorderen Kotflügel, die Motorhaube und die Heckklappe sind ebenfalls aus Aluminiumblech gefertigt. Bei der Produktion der Teile und ihrem Zusammenbau kommen unterschiedliche Fügeverfahren zum Einsatz, darunter mehrere neu entwickelte. Eines von ihnen ist das Rollfalzen des Seitenwandrahmens um höchstfeste B-Säulen zu fertigen. Es ermöglicht schmale Flansche und entsprechend große, komfortable Türeinstiege.

Beim Reibelementschweißen, einer ebenfalls neuen Technik, durchdringt ein schnell rotierender Stahlniet unter hohem Druck ein Aluminiumblech und stellt eine feste Verbindung mit dem darunter liegenden Stahlblech her. Das Stanznieten, das Clinchen und die selbstfurchenden Schrauben sind so genannte kalte Verbindungstechniken aus dem Repertoire von Audi.

Genau wie die Blechteile der Karosserie sind beim neuen Q7 die Türen komplett aus Aluminium gefertigt. Hier alleine können schon 24 Kilogramm Gewicht im Vergleich zum Vorgänger eingespart werden. - Wolfgang Faaß, technsiche Entwicklung Türen -  (Bild Audi)

Steifigkeit und akustischer Komfort: Die Torsionsringe

Drei Torsionsringe – ein liegender und zwei aufrecht stehende – verstärken den Vorderwagen, den Bereich der C-Säulen sowie den Heckklappenausschnitt des neuen Audi Q7. Sie tragen wesentlich zur stark verbesserten statischen und dynamischen Steifigkeit der Karosserie bei, die auch bei der Ausstattung mit dem optionalen Panorama-Glasdach erhalten bleibt. Auf Höhe der zweiten Sitzreihe verläuft eine massive Querstrebe unter dem Kardantunnel. Die Torsionsringe bilden eine wesentliche Grundlage für das exakte Fahrverhalten und den souveränen Schwingungskomfort – die Abwesenheit von störenden Vibrationen und Geräuschen – im Innenraum. Ein weiterer Faktor ist hier die aufwendige Entkoppelung der Aggregate und Achsen von der Karosserie.

Eine Akustikverglasung im vorderen und seitlichen Bereich der Passagierzelle und ein umfangreiches Dichtungskonzept für Türen und Heckklappe sind Serie, an den Fenstern decken elegante Zierleisten die Fensterschächte ab. Auf Wunsch liefert Audi Fenster aus Dämm-/Akustikglas, zudem stehen abgedunkelte Privacy-Ausführungen zur Wahl. Details wie die auf der Türbrüstung platzierten Außenspiegel tragen zur Best-in-Class-Aeroakustik bei.

Die Crashsicherheit und der Insassenschutz des großen SUV liegen ebenfalls auf Top-Niveau. Bei einer Kollision mit einem Fußgänger drücken pyrotechnische Elemente die Motorhaube blitzschnell nach oben, so dass der Kopf nicht auf harte Motorteile durchschlägt.

Die Einsparungen am Fahrwerk

Auch das Fahrwerk ist von Grund auf neu konzipiert. Verglichen mit dem Vorgängermodell baut es in der Summe mehr als 100 Kilogramm leichter – ein wichtiger Faktor für die Agilität. Beim Audi Q7 zeigt sich die Fahrdynamik in jeder Situation. Er ist gelassen bei einer schnellen Autobahnfahrt, agil auf kurvenreichen Landstraßen und dank der optionalen Allradlenkung außerordentlich wendig bei Rangiermanövern auf engstem Raum, wovon sich kfztech.de selber überzeugen konnte.

Entscheidend dafür sind unter anderem die präzise agierende elektromechanische Lenkung und die Gewichtsreduzierung an der neuen Vorder- und Hinterachse. An Vorder- und Hinterachse lösen Fünflenker- Konstruktionen die Doppelquerlenker-Achsen des Vorgängermodells ab. Sie können die Quer- und Längskräfte getrennt verarbeiten – in Querrichtung sind ihre Lager sportlich-steif, in Längsrichtung hingegen geschmeidig-weich ausgelegt.

Durch die neue 5-Lenker Vorderachse und konsequentem Leichtbau ist die Vorderachse im neuen Q7 im Vergleich zum Vorgänge um 27 Kilogrammm leichter. Alle wesentlichen Bauteile sind in Aluminiumtechnologie ausgeführt. Alleine durch das Aluminumschmiedeschwenklager konnten beispielweise knapp 7 Kilogramm eingespart werden. Je zwei Querlenker unten und oben sowie die Spurstange bilden die vordere Aufhängung, die 1.679 Millimeter Spurweite aufweist. Die Radlenker und das Schwenklager sind aus Aluminium geschmiedet, die Gelenkwellen hohl ausgeführt, beim Stabilisator variiert die Wandstärke je nach Bedarf. Die fünfeckige Radnabe aus geschmiedetem Stahl, die Aluminium-Dämpferstelze und der Achsträger aus Aluminium und Stahlblech zahlen ebenfalls auf das Leichtbau-Konto ein.

Durch die neue 5-Lenker Vorderachse und konsequentem Leichtbau ist die Vorderachse im neuen Q7 im Vergleich zum Vorgänge um 27 Kilogrammm leichter.  - Alexander Steigerwald, technische Entwiclung Vorderachse -  (Bild Audi)

Im Vergleich zum Vorgänger ist die neue 5-Lenker Hinterachse im neuen Q7 um 40kg leichter, was sich besonders im Komfort und in der Agilität zeigt. Durch intelligenten Materialmix und durch Einsatz hochfester Stähle bei Achsträgern und Lenkern sowie gezielten Einsatz von Aluminium konnte dieses Ergebnis erzielt werden.

Ihre fünf schlanken Stablenker – die oberen von ihnen sind aus Package-Gründen stark gekröpft – bestehen aus Stahl beziehungsweise Aluminium, wobei zwischen der stahl- und luftgefederten Ausführung Unterschiede im Detail bestehen. Die Federlenker sind als Aluminium- Strangpressprofile ausgeführt. Wie bei der Vorderachse sorgt die Kinematik der Lenker für hochpräzise Radführung und gute Wankabstützung. Bei den Radträgern der Hinterachse ist Aluminium im Einsatz, während der Hilfsrahmen aus hochfestem Stahl gefertigt ist. In der ganzen Konstruktion ermöglichen Elastomerlager mit hochdämpfenden Gummimischungen und Zwischenhülsen eine weite Spreizung der Steifigkeit in Längs- und Querrichtung.

Durch intelligenten Materialmix und durch Einsatz hochfester Stähle bei Achsträgern und Lenkern sowie gezielten Einsatz von Aluminium konnte dieses Ergebnis erzielt werden. - Friedrich Oskar Winter, technische Entwicklung Hinterachse -  (Bild Audi)

Der neue Q7-Federlenker, der im Aluminium Strangpressverfahren entwickelt wurde, spart alleine 3,7 Kilogramm Gewicht ein.

Weitere Maßnahmen anderer Baugruppen

In der Q7-Vordersitzanlage wurde u.a. durch die neue Modulsitzgeneration eine Gewichtsreduzierung von 5 Kilogramm im Vergleich zum Vorgänger erreicht. Serienmäßig bietet der Q7 fünf Sitzplätze. Die Dreier-Sitzanlage im Fond mit neigungseinstellbaren Lehnen und bestem Sitzkomfort ist bis zu 13,7 Kilogramm leichter als beim Vorgänger. Alle Sitzplätze ergeben zusammen eine maximale Gewichtseinsparung von bis zu 18,7 Kilogramm gegenüber dem Q7 der ersten Generation.

Bei der Tragstruktur des Q7-Cockpits hat Audi eine Gewichtsersparnis von über 40% im Vergleich zum Vorgänger realisiert. Die Bauteile des Q7-Kühlsystems wurden im Vergleich zum Vorgänger um 8,7 Kilogramm leichter. Bei diesem Lüftermodul, zum Beispiel, wurde das Gewicht um 3,5 Kilogramm reduziert.

Der Q7-Antriebsstrang, inkl. Wählhebel ist gegenüber dem Vorgänger um 20 Kilogramm leichter. Die Gewichtsreduktion verteilt sich im Wesentlichen auf den quattro-Antriebstrang und zu einem kleineren Teil auf den Wählhebel. Das selbstsperrende Mittendifferenzial im neuen Q7 ist im Gehäuse der Achtstufen-tiptronic integriert und bildet das Herzstück des quattro-Antriebs. Es ist im Vergleich zum Vorgänger um 25 Prozent leichter geworden.

Audi setzt im neuen Q7 als erster Hersteller im Premium SUV-Segment ein Aluminium-Bremspedal ein und reduziert damit das Bauteilgewicht um 60%. Diese komplette neue Einheit der Q7-Abgasanalage ist im Vergleich zum Vorgänger um 19 Kilogramm leichter geworden.

Leichtbaukonzept trägt wesentlich zur Ökobilanz bei

Dank seiner hohen Kraftstoffeffizienz, die wesentlich auf dem geringen Gewicht beruht, schneidet der neue Audi Q7 auch in der Umweltbilanz gut ab. In der rechnerischen Betrachtung seines Lebenszyklus – von der Gewinnung der Ausgangsmaterialien über die Produktion bis zur Verwertung nach 200.000 Kilometer Fahrstrecke – ergibt sich eine Summe von CO₂-Äquivalenten, die 16 Prozent unter dem Wert des Vorgängermodells liegt. In der Herstellung sind die Werte wegen des Energieaufwands für das Primäraluminium zwar noch etwas schlechter, aber schon ab etwa 34.000 Kilometer fährt der neue Q7 in der Umweltbilanz einem Stahlkonzept davon.

Der Audi Q7 zeigt eindrucksvoll gegenüber seinem Vorgänger und auch anderen "Dickschiffen", dass man durchaus erfolgreich abspecken kann. Aber natürlich darf man immer auch mal nachfragen, ob es in den meisten Fällen überhaupt eines Autos in dieser Größenordnung bedarf.

Video zum Audi Q7 Leichtbau

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Der Autor Johannes Wiesinger bei Testfahrten in der Schweiz mit dem neuen Q7 - Bild kfztech.de

Quelle: Text und Bilder Audi, kfztech.de