Karosserie

Teil der Karosserie eines Flugzeugs

Die Karosserie (französisch carrosse für Kutsche) ist streng genommen der komplette Aufbau eines Kraftfahrzeuges auf einem tragenden Fahrgestell. Umgangssprachlich wird darunter jedoch nur die äußere Hülle verstanden. Selbsttragende Karosserien bilden zugleich das Grundgerüst des Fahrzeugs. Die Karosserien der ersten Autos waren komplett aus Holz gefertigt. Diese Skelett-Bauweise war aus dem Kutschenbau geläufig.

Inhaltsverzeichnis

1 Selbsttragende Karosserie
2 Skelettkarosserie
3 Werkstoffe
- 3.1 Metalle
- 3.2 Kunststoffe
4 Vergleich zu Wikipedia
5 Einzelnachweise

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1 Selbsttragende Karosserie

Karosserie eines Busses um 1900

Wenn Fahrgestell und Aufbau eines Kraftfahrzeugs zu einer Einheit zusammengefasst sind, spricht man von einer selbsttragenden Karosserie, auch Schalenbauweise oder Monocoque genannt. Bei dieser Konstruktionsart sind Beplankungen, Verstärkungen, Aufnahmebleche und Profile mit unterschiedlichen Fügetechniken (Kleben, Punktschweißen, Laserschweißen, Löten) unlösbar miteinander verbunden. Allein diese Struktur übernimmt die tragende Funktion. Es gibt keine Trennung zwischen rein auf Biegung/Torsion oder Schub belasteten Bauteilen und Teilen, die der Abdichtung/Beplankung dienen (wie z. B. bei Leiter- oder Gitterrahmen). Alle Teile wirken statisch als Schalen und nehmen in ihrer Gesamtheit die eingeleiteten Kräfte auf. Gelegentlich werden an den Achsen Hilfsrahmen (Fahrschemel) verwendet.

Die Steifheit, die normalerweise der Rahmen gewährleistet, wird hierbei durch die kompakte Blechhaut und hohle Blechquerschnitte mit möglichst großem Querschnitt und somit Widerstandsmoment erreicht. Sicken erhöhen die Steifigkeit und die Eigenschwingungsfrequenz, um Resonanz und damit ein Dröhnen zu verhindern. Die Befestigungspunkte für die Anbauteile, wie Türen, Kotflügel, Klappen und Scharniere sind fest in die Karosserie integriert, beispielsweise in Form von Gewindeplatten und Schweißmuttern. Eine hohe Steifigkeit ist wichtig, um elastische Verformungen an den Fugen zu den Anbauteilen gering zu halten und Knarrgeräusche im Fahrbetrieb zu vermeiden. Geringe Spaltmaße sind deshalb nur bei sehr steifen Karosserien möglich. Ferner hat die Steifigkeit Einfluss auf das Fahrverhalten, gerade auf schlechten Straßen oder in Extremsituationen. Um Schwingungsanregungen durch Motor und Fahrwerk zu widerstehen, muss die Eigenfrequenz der Karosserie entsprechend abgestimmt werden. In der Karosseriekonstruktion unterscheidet man zwischen der statischen Steifigkeit (Nm pro Winkeleinheit) und der dynamischen Steifigkeit (Hz). Letztere liegt bei Fahrzeugen der oberen Mittelklasse (Stufenhecklimousinen wie Ford Mondeo oder Passat B6) zwischen 35 und 47 Hz. Bei selbsttragenden Cabrioletkarosserien werden Verstärkungen im Unterboden und an den Schwellern eingebaut (Diagonalstreben etc.). Versteifungen am Unterboden ergeben ein oben offenes Profil (U-Querschnitt), während eine Limousine einem Rechteckquerschnitt entspricht (geschlossenes Profil) und so bei geringerer Masse zugleich steifer und fester sein kann. Kombis haben wegen der fehlenden Rückwand (hinter den Rücksitzen), die den Wagenkasten diagonal versteift, also als Schubwandträger wirkt, ohne Gegenmaßnahmen eine geringere Steifigkeit als Limousinen des gleichen Typs. Frühe Beispiele für Fahrzeuge mit selbsttragender Karosserie sind der Adams-Farwell Model 8A von 1906 und der Lancia Lambda von 1922. Der Citroën 11CV (1934) und der deutsche Opel Olympia (1935) waren die ersten Serienwagen mit selbsttragender Ganzstahlkarosserie, die erste selbsttragende Karosserie aus glasfaserverstärktem Kunstharz hatte 1956 der Berkeley Sports SA 322. Weithin bekannt wurde der Lotus Elite von 1957.

Zu den ersten Bussen mit selbsttragendem Aufbau zählen der Kässbohrer Setra (daher der Name) S 8 von 1951 und der HS 160 von Henschel & Sohn 1955. Selbsttragende Buskarosserien haben ein Fachwerkskelett aus stählernen Rechteckrohren.

Die Vorteile der selbsttragenden Karosserie waren ein geringeres Gewicht durch Wegfall des tragenden Rahmens, höhere Aufprallsicherheit und bessere Raumausnutzung. Möglich wurde der Großserienbau selbsttragender Karosserien durch Fortschritte in der Blechverarbeitung (Tiefziehen, aber besonders Punktschweißen). Bis zum Beginn der 1950er Jahre setzte sie sich im PKW-Bau durch. Omnibusse werden sowohl in Rahmen- als auch Schalenbauweise gebaut. Bei Lkw hat sich die selbsttragende Karosserie bis heute wegen fehlender Modularität und unzureichender Steifigkeit für den Lastaufbau nicht etablieren können.

Im Vergleich zur Rahmenbauweise weist die selbsttragende Karosserie auch einige erhebliche Nachteile auf. Während sich auf einen Rahmen verschiedene Karosserievarianten ohne großen Aufwand montieren lassen, ist diese Möglichkeit bei selbsttragenden Karosserien eingeschränkt. Die Variantenvielfalt der Karosserien ist deshalb in den 1950er Jahren im Vergleich zur Vorkriegszeit stark zurückgegangen. Ein anderes Problem des selbsttragenden Aufbaus ist dessen aufgrund der zahlreichen Hohlräume erhöhte Rostanfälligkeit, die relativ schnell zur unvermeidlichen Verschrottung des gesamten Fahrzeugs führt, wenn bestimmte Karosserieteile verrostet sind. So entschied sich der Luxuswagenhersteller Rolls-Royce bei Einführung des Silver Cloud 1955 entgegen dem Trend für die Rahmenbauweise, um den Ruf der langen Haltbarkeit der Fahrzeuge nicht einzubüßen. Ein weiteres Argument für die Rahmenbauweise war die Vermeidung von Dröhneffekten, wie sie bei selbsttragenden Karosserien mehr oder weniger stark ausgeprägt auftreten können. Auch in der DDR wurde bei den Wartburg-Pkws und dem Barkas-Kleintransporter die Rahmenbauweise beibehalten.

2 Skelettkarosserie

Zusammengesetzte Karosserie aus Teilen eines Trabant

Diese Karosseriebauart hat ein Skelett aus Hohlprofilen, die direkt oder über Knoten miteinander verbunden sind. Flächige Bauteile wie das Dach oder die Windschutzscheibe können relativ steif mit dem Skelett verbunden sein und Schubkräfte aufnehmen. Man verspricht sich dadurch bei geringerem Gewicht eine hohe Steifigkeit und eine Unabhängigkeit vom Fahrgestell. Neben der Variantenvielfalt möglicher Aufbauten ergibt sich daraus der Vorteil, dass verschlissene Teile relativ einfach instand gesetzt werden können. Moderne Beispiele dafür sind Audi A8 und Audi A2 mit Audi Space Frames aus Aluminium. Zur Fertigung wurden verschiedene neue Verfahren wie das Durchsetzfügen und das Stanznieten in der Automobilindustrie eingeführt.

Das erste Fahrzeug mit Space Frame (aus Stahl) war 1934 der Chrysler Airflow. In den 1950er Jahren wurde der Trabant entwickelt, bei dem die tragende Struktur aus Bodenplatte, Radhäusern, Fahrzeugsäulen und Dachholmen mit nichttragenden Kunststoffpaneelen beplankt ist. Auch der in den frühen 1970er-Jahren in Berlin gebaute AWS Shopper hatte einen simplen Space Frame aus Vierkantrohren. Matra entwickelte für Simca ab 1978 ein Fahrzeug mit einem Skelett aus feuerverzinkten Stahlhohlprofilen, das 1984 als Renault Espace erschien.

Fiat beauftragte 1978 unter anderen Renzo Piano und Peter Rice, ein Zukunftsauto zu gestalten. Sie entwickelten den Fiat VSS (Vettura Sperimentale a Sottosistemi: Subsystem-Experimentalfahrzeug), bei dem ein Karosserieskelett aus Stahl mit Anbauteilen aus Kunststoff ergänzt wurde. Dies konnten einfache Spritzteile sein wie Kotflügel und Dächer, aber auch ganze Baugruppen wie Türen oder Fronten mit vormontierten Scheinwerfern, Grill und Stoßstangen. So ließen sich auf der gleichen Basis durch Anfügen entsprechender Heckmodule Kombi und Stufenhecklimousinen oder über unterschiedliche Frontmodule verschiedene Markenidentitäten realisieren. Dieses Konzept wurden nicht weiterverfolgt. Der Fiat Multipla war später die zweite Generation eines Fahrzeuges mit Stahl-Space-Frame in Serie. Dass sich geschlossene Stahlprofile nur eingeschränkt umformen lassen, sieht man dem Fahrzeug an einigen Stellen an, etwa am Übergang vom Dachholm zum Heck.

Der Stahlhersteller Salzgitter AG hat zusammen mit dem Automobilzulieferer Karmann GmbH als Reaktion auf die zunehmende Verwendung von Aluminium im Karosseriebau eine auf Serienfahrzeuge abgestimmte Karosseriestruktur entwickelt und an Prototypen getestet, die mit neuartigen hochfesten Stählen das Karosseriegewicht bei gestiegener Steifigkeit, gleichen Kosten und gleichem Crash-Verhalten um 40 Prozent reduzieren soll. Ein anderes Beispiel für ein Konzept mit dicht lasergeschweißten und dann innenhochdruckumgeformten Stahlrohren war 2003 der NewSteelBody (NSB) von ThyssenKrupp Stahl.

3 Werkstoffe

Modernes Design, Tesla Roadster (2008)

3.1 Metalle

Als Werkstoff wurde zunächst Stahl, für die Hülle Stahlblech verwendet. Stahlblech war mit 90 % Marktanteil das meistverbreitete Material für den Karosseriebau bis Anfang der 2010er Jahre. Da Stahl eine Legierung von Eisen ist, stellt Eisen das am häufigsten verwendete chemische Element dar. Als Korrosionsschutz wird Zink verwendet, weil sich Edelstahl nicht lackieren lässt,^[1] wobei bereits die Bleche verzinkt geliefert werden.

Da das spezifische Gewicht, die Dichte, von Aluminium wesentlich geringer als die von Eisen ist (nur etwa ein Drittel)^[2] und auch der Schmelzpunkt niedriger liegt,^[3] wurde es erfolgreich als Karosseriematerial verwendet. Trotz der höheren Kosten kann Aluminium in einigen Anwendungen mit Stahl konkurrieren, insbesondere bei der Außenhülle und nichttragenden Teilen. Dabei muss allerdings die wesentlich geringere Elastizität des Werkstoffes beachtet werden, wodurch für gleiche Steifigkeit mehr Material (ca. 40 %) benötigt wird. So werden für Bauteile, die einer höheren Belastung ausgesetzt sind, verschiedene Legierungen als Aluminiumguss verwendet. Audi benutzt seit 1993 Aluminium als Karosseriewerkstoff und verwendet Knoten, Tiefziehteile und Strangpressprofile aus Aluminium-Gusslegierungen.

In den in Europa erzeugten Karosserien hatte Aluminium 2015 zwar durchschnittlich nur einen Anteil von 50 kg je Fahrzeug, war aber der zweitmeistverwendete Karosseriewerkstoff. Vollständig aus Aluminium gefertigte Karosserien wurden bereits in Großserie hergestellt (zum Beispiel Panhard Dyna, Tesla Model S, Audi A2 und A8, Jaguar XJ oder Opel Speedster). Auch werden in der Mittelklasse einzelne Fahrzeugteile aus Aluminium gefertigt, so bestanden beispielsweise die Motorhauben des Citroën DS und des Subaru Legacy der vierten Baureihe aus Aluminium, beim Subaru auch die Heckklappe. Die Herstellung von Bauteilen aus Aluminium und auch das Zudsammenfügen der einzelnen Bauteile benötigt dabei nicht mehr Zeit als zum Beispiel bei Stahlteilen. Der Verbrauchs- und Emissionsminderung (Gewichtseinsparung beim Fahrzeug) durch Aluminium-Leichtbau steht die verhältnismäßig energieintensive Herstellung des Ausgangsstoffes gegenüber. Ein Audi A8 hat beispielsweise erst nach einer Laufleistung von 170.000 km die CO2-Menge eingespart, die bei der Herstellung des für seine Karosserie benötigten Aluminiums zusätzlich freigeworden ist.

Magnesium ist ein noch leichterer Werkstoff als Aluminium.^[4] Bisher werden nur Legierungen für Einzelteile mit Magnesium hergestellt. Die Verwendung ist von verschiedenen Problemen begleitet. Die hexagonale Gitterstruktur des reinen Magnesiums erlaubt bei Raumtemperatur nur geringe Umformgrade; Magnesium lässt sich besser warm umformen.

3.2 Kunststoffe

Mitte der 1930er Jahre wurde auf der Berliner Automobil-Ausstellung das gläserne Auto vorgestellt, bei dem nicht nur die Scheiben, sondern auch Dach, Motorhaube sowie die seitlichen Türen aus Plexiglas bestanden. Zur Verringerung der Sonneneinstrahlung waren Sonnenvorhänge und im Dach ein verschiebbares Sonnenscheinverdeck vorgesehen. Das Fahrzeug diente jedoch in erster Linie zu Werbezwecken.

Im Karosseriebau wurde später sowohl duroplastisches faserverstärktes Kunstharz, als auch Thermoplast verwendet. Aus Faserverbundwerkstoffen lassen sich ganze, auch selbsttragende Karosserieschalen herstellen, gespritzte oder blasgeformte Teile aus Thermoplasten erreichen nicht diese Größe. Sie werden für Kotflügel und kleinere Teile verwendet. Ausnahme ist die in einem Stück geblasene Bodenwanne des CityEl. Das erste in Serie produzierte Auto mit Kunststoffkarosserie war der Woodill Wildfire, gebaut 1952 bis 1956 mit Karosserie von Glasspar. Im Februar 1953 wurde der Kaiser Darrin vorgestellt, dessen Karosserie ebenfalls Glasspar lieferte, und zum Ende des Modelljahrs 1953 erschien die Chevrolet Corvette. 1954–1955 baute Glasspar mit dem G-2 selbst einen Roadster mit der Karosserie des Woodill.

Beim Audi A3 wurde das Gewicht durch Aluminium, Kunststoff und Verbundstoffe so weit gesenkt, dass das Leergewicht ohne Fahrer in der Variante mit S tronic 2013 nur bei 1.250 Kilogramm lag, was einen neuen Rekord bedeutete.^[5] Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff war hier ein wesentlicher Fortschritt in der Technik.