2020 Chevrolet Corvette Test – Teil 1: Ein Meisterwerk aus Verbundwerkstoffen

Für Teil 2 lesen Sie „Composites-intensive masterwork: 2020 Corvette, Part 2“.

Der lang erwartete Chevrolet Corvette der achten Generation (C8) von General Motors Co. (GM, Detroit, Michigan, USA), der seit seiner offiziellen Enthüllung am 18. Juli 2019 Auszeichnungen generiert, startete Anfang dieses Jahres die kommerzielle Produktion. Der neue Corvette Stingray als Cabrio und Coupé ist nicht nur wegen seiner Schönheit und der Tatsache bemerkenswert, dass GM ein leistungsstarkes, straßenzulässiges Mittelmotor-Raketenschiff ab unter 60.000 USD produziert – ein Drittel des Preises vergleichbarer Mittelmotor-Autos – sondern auch wegen eines beeindruckenden Arrays neuer und genuin innovativer Verbundwerkstoff-Inhalte, die wir hier und in Teil 2 nächsten Monat beschreiben.

Neue Motorposition ändert alles

GM Engineering ging in die Vorplanung mit dem Wissen, dass sie an einem Mittelmotor-Fahrzeug arbeiten würden – dem ersten Serien-Corvette in acht Generationen mit dieser Konfiguration. „Wir haben die Frontmotor-Architektur so weit wie möglich für Performance entwickelt, daher war der Wechsel zu einem Mittelmotor-Design der nächste logische Schritt, um ein bereits großartiges Auto zu verbessern und Segmentführer zu werden“, erklärt Tadge Juechter, Executive Chief Engineer Global Corvette von GM. Mit dem Z51 Performance-Paket beschleunigt der 2020 Corvette Stingray in 2,9 Sekunden von 0 auf 60 mph (0–97 km/h) und erreicht Höchstgeschwindigkeiten von 194 mph (312 km/h). Die Verlagerung des Motors Richtung Fahrzeugheck beeinflusste viele Dinge, einschließlich des Fahrzeugschwerpunkts, der relativen Position der Insassen, Getriebelage und Design von Unterbodenpaneelen und Kofferraum. Das Mittelmotor-Design führte auch zu höheren Betriebstemperaturen und Geräuschen in neuen Bereichen des Autos.

„Wegen des Mittelmotors mussten wir Dinge anders machen“, erklärt Ed Moss, Corvette Body Structure Engineering Group Manager. „Von Anfang an hatten wir so viele Diskussionen darüber, wie man die Karosseriestruktur layoutet. An einem Punkt war alles auf dem Tisch, als wir über den besten Weg diskutierten, jedes System zu designen und zu bauen. Zum Beispiel diskutierten wir Metall versus Verbundwerkstoff für Radhäuser. Wenn wir die C7-Composite-Radhäuser beibehalten hätten, müssten wir an den Scharnierpfeiler [A-Säule] kleben, der in einem Mittelmotor-Fahrzeug unmittelbar neben dem Vorderrad liegt und sehr wenig Bauraum lässt. Wir entschieden uns dort für Metall. Wir diskutierten sogar kurz Metall versus Verbundwerkstoff für Karosseriepaneele. Es wäre jedoch wirtschaftlich nicht machbar gewesen, die C8-Styling-Linien in Metall umzusetzen.“

„Eine echte Herausforderung war, wie man die Ansaugluft handhabt“, erinnert sich Chris Basela, Corvette Body Structure Lead Engineer, und erklärt die Notwendigkeit einer anderen Methode, Kühlluft in den natürlich aspirierten 495-PS, 6,2-Liter-V8-Motor zu leiten, der 470 lb-ft (637 Nm) Drehmoment erzeugt. „Wir probierten alle möglichen Designs, die die Luft extrem verwinkelte Wege nehmen ließen, was Wirbel und Strömungen erzeugte, die wir nicht wollten. Es brauchte viel iterative Arbeit mit dem Antriebsstrang-Team, um den besten Luftweg zu entwickeln, weil das Auto frei atmen muss ohne Restriktion. Wir brauchten auch Zugang zur Airbox und mussten um den hinteren Kofferraum herum arbeiten. Ein weiteres Thema war Hitze und Motorengeräusch im Fahrgastraum, weil die Insassen nicht mehr hinter dem Motor sitzen, sondern direkt davor positioniert sind. Und wir waren besonders bewusst bezüglich Kabinenluftqualität, da sich Gesetze in Europa und anderswo seit der C7 geändert hatten, also arbeiteten wir wirklich hart, um VOCs [flüchtige organische Verbindungen] zu reduzieren.“

„Sogar herauszufinden, wie man das Auto montiert, war eine Herausforderung“, fügt Moss hinzu. „Bei einem Frontmotor-Design haben Sie eine lange Motorhaube und einen großen Motorraum, was den Monteuren viel Platz bietet, das Auto von innen im Motorraum zu bauen, selbst wenn der vordere Stoßfängerbalken bereits angeschweißt ist. Beim Mittelmotor-Corvette mit seinem sehr kurzen Frontclip halten wir die Front des Autos offen, während das Fahrzeug aufgebaut wird, und schrauben dann den vorderen Stoßfänger an.“

„Es war ein ziemlicher Balanceakt, die richtigen Formen zu bekommen, während wir sicherstellten, dass unsere Zulieferer die Teile produzieren und unser Team in Bowling Green [GMs Kentucky-basiertem Corvette-Montagewerk] sie montieren konnte“, fährt Basela fort. „Am Ende gab es nur ein einziges Übernahmerteil aus der C7-Karosserie in die C8.“ Dies war ein zäher Klasse-A, 1,2 spezifisches Gewicht (SG) Sheet Molding Compound (SMC), das für den 2016er Corvette entwickelt wurde und in einer Vielzahl von Außenverschlüssen am neuen Fahrzeug verwendet wird.

Fahrzeugarchitektur

Seit vier Generationen (C5–C8) verfügen Corvettes über eine dreilagige, multimateriale Karosseriestruktur: den Rahmen, meist eine Mischung aus Aluminium oder Stahl – diesmal mit einem CFRP-Bauteil; die Karosseriestruktur, die weitgehend geklebte Verbundwerkstoffe nutzt, um Design- und Fertigungsflexibilität zu nutzen; plus angeschraubte Closeouts (Karosseriepaneele), die seit dem Corvette-Debüt im Juni 1953 aus Verbundwerkstoff bestehen. Diese geschichtete Hybridstruktur bietet nicht nur erschwinglichen Leichtbau in hohen Produktionsvolumen – besonders für Autos dieser Leistungsklasse – sondern erlaubt auch die Produktion mehrerer Fahrzeugvarianten bei geringem Werkzeuginvestment. Tatsächlich schaffte GM für den aktuellen C8, alle Klasse-A-Verbundwerkstoff-Karosseriepaneele (geklebte Innenseiten und Außenseiten) sowohl beim Basismodell Coupé als auch Cabrio mit nur 20 Werkzeugen zu produzieren.

Zusätzlich wurden Corvettes immer mit einer Offen-Dach-Architektur konstruiert, unabhängig davon, ob sie tatsächlich Cabrios oder Coupés mit festen oder abnehmbaren Dachpaneelen sind. Da Offen-Dach-Fahrzeuge generell weniger steif sind als solche mit festem Dach, ist ein wichtiger Fokus für jedes Corvette-Engineering immer, das steifste Fundament möglich zu schaffen, um Fahrwerk und Lenkung zu verbessern. Historisch haben Tunnel (die Getriebe und Antriebswellen bei Frontmotor-Fahrzeugen beherbergen) die Corvette-Karosseriestrukturen dominiert und waren Schlüsselfaktoren für hohe Torsionssteifigkeit. Beim neuen Corvette erreichte GM noch höhere Steifigkeit. Ohne Dach ist der C8-Körper 53,78 % steifer als ein Benchmark-Hochleistungs-Mittelmotor-Konkurrent, 29,27 % steifer als ein zweiter Hochleistungs-Mittelmotor-Konkurrent und 13,79 % steifer als die C7. Zwei Verbundwerkstoffteile leisteten wichtige Beiträge zur Fahrzeugsteifigkeit – einer direkt am Rahmen befestigt (hinterer Stoßfängerbalken) und einer am Unterboden (unterer Tunnel-Closeout).

Rahmenstruktur

Der C8-Rahmen besteht weitgehend aus Aluminiumlegierung mit einem CFRP-Teil, das entwickelt wurde, um GMs strenge Dollar-pro-Kilogramm-Ziele zu erfüllen. Im Gegensatz dazu war der C7-Rahmen ganz aus Aluminium und der C6 mostly Stahl.

Das einzige Verbundwerkstoffteil, das direkt am Rahmen montiert ist und mit dem Body-in-White (BIW) durch den elektrophoretischen Rostschutzprozess (den GM ELPO nennt) läuft, ist ein einzigartiger CFRP-Hinterer-Stoßfängerbalken. Dieser Teil versteift den Rahmen und trägt zur Heckaufprall-Performance bei. Seine gekrümmte Form – möglich dank eines neuartigen Verfahrens namens Radius-Pultrusion, entwickelt von Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (TTI, Bremervörde, Deutschland) – ermöglicht es, hintere Styling-Cues zu treffen und in begrenztem Bauraum zu passen, während dimensionsstabil nahe der Motorraum-Hitze bleibt. Als erste gekrümmte pultrudierte Teil der Autoindustrie (siehe unseren vollständigen Artikel in der CW Mai 2020 Ausgabe) wurde der hohle, zweikammerige Balken von Shape Corp. (Grand Haven, Michigan, USA) auf von TTI entwickeltem und gebautem Equipment produziert. Der Balken wiegt nur 1,3 Kilogramm und verfügt über ein geklebtes/geschraubtes Abschlepphaken-Auge, das 25 Kilonewton Zugkraft aushält.

Karosseriestruktur: Teil A

Praktisch alle C8-Karosseriestrukturkomponenten sind Verbundwerkstoffe und werden nach dessen ELPO-Durchlauf an den Rahmen geklebt und/oder geschraubt. Bemerkenswerte Verbundwerkstoffteile auf dieser Ebene sind strukturelle Unterboden-Verschlüsse und der Boden – die wir in dieser Ausgabe behandeln – sowie vordere und hintere Kofferräume, Ansaugkanäle und der hintere Umrandungs- und Trennwandbereich – die wir nächste Monat zusammen mit Karosseriepaneelen und Trim behandeln.

Der abnehmbare untere-Tunnel-Struktur-Closeout am C8, der als Zugangsklappe fungiert, trägt mehr als 10 % zur Torsionssteifigkeit des Fahrzeugs bei und wirkt als primärer Lastpfad bei einem Crash. Dieses Hybrid-Verbundpaneel besteht aus drei Lagen Glasfaser-Preform. Diese bestehen aus continuous/gewebten und chopped/zufälligen Fasern bei 38 % Faser-Volumenanteil (FVF), mit Vlieslagen an den oberen und unteren Deckschichten jedes Stapels für verbesserte Oberflächenqualität. Glaspreforms sind mit zwei Lagen Preforms aus Toray (Tokio, Japan) T700 12K Standardmodul-Carbonfaser in Form von NCF-Biaxialgewebe bei 21 % FVF und Vinylester (VE) Matrix interleaved. Der Closeout wird von Molded Fiber Glass Co. (MFG, Ashtabula, Ohio, USA) mittels seines proprietären PRiME (Prepositioned Reinforcement ensuring Manufacturing Excellence) Prozesses hergestellt, einer Art Liquid Compression Molding (LCM).

Abgesehen von einem einzelnen Aluminium-Closeout in der Nähe der Hinterräder, der Teil des Motorlagers ist, bestehen die übrigen Unterbodenpaneele entweder aus pressgeformtem SMC oder spritzgegossenen Thermoplasten. Unter anderem reduzieren diese Paneele Unterbodenturbulenzen und -widerstand, verbessern Kraftstoffeffizienz und halten Feuchtigkeit, Staub und Steine vom Motor und Antriebsstrang des Fahrzeugs fern. Zudem bieten sie die dimensionsstabile Grundlage für mehrere Außen- und Innen-Schnittstellen.

Die niedrigdichten, aber strukturellen SMC-Paneele verfügen über neue Formulierungen (in diesem Fall 40 % FVF gehackte Glasfaser/ungesättigtes Polyester (UP) Harz), entwickelt von MFG. Das Material heißt „float“ SMC, weil die Dichte jedes Paneels unter 1,0 liegt (durchschnittlich SG=0,97) und somit im Wasser schwimmen kann. MFG produzierte alle strukturellen SMC- und LCM-Teile am Auto.

Das Fahrzeug verfügt auch über einen Hybrid-Boden, optimiert für Torsionsbiegen und Seitenpfahl-Aufprallschutz (Einbindung der Schweller und des Tunnels, mit denen er verbunden ist). Bodenpaneele haben kabinenseitig gestanztes Aluminium, geklebt auf straßenseitige 1,5-SG-Verbundwerkstoffplatten (60 Gew.-% continuous und gewebte Glasfaser/VE), produziert via PRiME-Prozess. Vor dem Wärmekleben beider Schichten mit Pliogrip 9100 Polyurethan-Strukturklebstoff von Ashland Global Holdings Inc. (Wilmington, Delaware, USA) reinigt und vorbereitet MFG die Materialien.

Alle direkt am C8-Rahmen geklebten Verbundwerkstoffteile werden zunächst Laserablation unterzogen, ein von GM, MFG und Adapt Laser Systems LLC (Kansas City, Missouri, USA) für den 2016er Corvette entwickelter Prozess, adaptiert aus einer Verbundwerkstoff-Industriemethode zur Formenreinigung. Laserablation ersetzt Handschleifen und reduziert Arbeit, Zeit und Kosten, eliminiert Staub und verbessert Wiederholbarkeit. Laserpfad, Einfallswinkel und Energieniveau sind für jedes Teilmaterial und -geometrie anpassbar. Um maximale Fertigungsflexibilität zu gewährleisten, ist der gesamte Unterboden, einschließlich Boden, über Kleben und Schrauben mit dem Rahmen und sich selbst verbunden.

In der August-Ausgabe von CW setzen wir die Berichterstattung über Composites-Innovation am neuen Corvette fort, beginnend mit weiteren Komponenten auf Karosseriestruktur-Ebene und endend mit Außenverschlüssen (Karosseriepaneele), plus zusätzlichem Trim und Upgrades. Siehe Teil 2.