Automobil

Automobildesign

Das moderne Automobil ist ein komplexes technisches System, das aus Teilsystemen mit spezifischen Konstruktionsfunktionen besteht. Einige davon bestehen aus Tausenden von Bauteilen, die sich aus Durchbrüchen in der bestehenden Technologie oder aus neuen Technologien wie elektronischen Computern, hochfesten Kunststoffen und neuen Stahl- und Nichteisenmetalllegierungen entwickelt haben. Einige Teilsysteme sind durch Faktoren wie Luftverschmutzung, Sicherheitsvorschriften und Wettbewerb zwischen den Herstellern in der ganzen Welt entstanden.

Personenwagen haben sich als wichtigstes Transportmittel für Familien herauskristallisiert, von denen es weltweit schätzungsweise 1,4 Milliarden gibt. Etwa ein Viertel davon steht in den Vereinigten Staaten, wo jedes Jahr mehr als drei Billionen Meilen (fast fünf Billionen Kilometer) zurückgelegt werden. In den letzten Jahren wurden den Amerikanern Hunderte von verschiedenen Modellen angeboten, von denen etwa die Hälfte von ausländischen Herstellern stammt. Um von ihren eigenen technologischen Fortschritten zu profitieren, führen die Hersteller immer häufiger neue Modelle ein. Mit etwa 70 Millionen neuen Fahrzeugen, die jedes Jahr weltweit gebaut werden, ist es den Herstellern gelungen, den Markt in viele sehr kleine Segmente aufzuteilen, die dennoch rentabel bleiben.

Neue technische Entwicklungen sind anerkanntermaßen der Schlüssel zum erfolgreichen Wettbewerb. Alle Automobilhersteller und -zulieferer beschäftigen Ingenieure und Wissenschaftler in der Forschung und Entwicklung, um die Karosserie, das Fahrgestell, den Motor, den Antriebsstrang, die Steuersysteme, die Sicherheitssysteme und die Emissionskontrollsysteme zu verbessern.

Diese herausragenden technischen Fortschritte bleiben nicht ohne wirtschaftliche Folgen. Nach einer Studie von Ward’s Communications Incorporated stiegen die durchschnittlichen Kosten für ein neues amerikanisches Auto zwischen 1980 und 2001 um 4.700 Dollar (gemessen am Wert des Dollars im Jahr 2000), weil Sicherheits- und Emissionskontrollanforderungen (wie der Einbau von Airbags und Katalysatoren) vorgeschrieben wurden. Auch in den Folgejahren wurden immer wieder neue Anforderungen eingeführt. Ein weiterer Faktor, der die Autopreise in die Höhe trieb, war die Einführung der Computertechnologie, die zwischen 2009 und 2019 um 29 Prozent gestiegen ist. Hinzu kommen die Kosten, die den Verbrauchern durch die technische Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs entstehen und die durch einen geringeren Kraftstoffverbrauch ausgeglichen werden können.

Das Design eines Fahrzeugs hängt in hohem Maße von seinem Verwendungszweck ab. Automobile für den Einsatz im Gelände müssen langlebige, einfache Systeme mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen starke Überlastungen und extreme Betriebsbedingungen sein. Umgekehrt erfordern Produkte, die für Hochgeschwindigkeitsstrecken mit eingeschränktem Zugang bestimmt sind, mehr Komfort für die Fahrgäste, eine höhere Motorleistung sowie ein optimiertes Fahrverhalten bei hohen Geschwindigkeiten und eine höhere Fahrzeugstabilität. Die Stabilität hängt hauptsächlich von der Gewichtsverteilung zwischen den Vorder- und Hinterrädern, der Höhe des Schwerpunkts und seiner Lage im Verhältnis zum aerodynamischen Druckpunkt des Fahrzeugs, den Aufhängungseigenschaften und der Wahl der für den Antrieb verwendeten Räder ab. Die Gewichtsverteilung hängt in erster Linie von der Lage und Größe des Motors ab. Die übliche Praxis der Frontmontage von Motoren nutzt die Stabilität, die sich mit dieser Anordnung leichter erreichen lässt. Durch die Entwicklung von Aluminiummotoren und neuen Herstellungsverfahren ist es jedoch möglich geworden, den Motor im Heck unterzubringen, ohne dass die Stabilität darunter leidet.

Karosserie

Karosseriekonstruktionen werden häufig nach der Anzahl der Türen, der Anordnung der Sitze und der Dachkonstruktion eingeteilt. Autodächer werden üblicherweise von Säulen auf jeder Seite der Karosserie getragen. Cabrio-Modelle mit einziehbaren Stoffverdecken stützen sich auf die Säule an der Seite der Windschutzscheibe, da die Cabrio-Mechanismen und Glasflächen im Wesentlichen nicht strukturell sind. Die Glasflächen wurden zur Verbesserung der Sicht und aus ästhetischen Gründen vergrößert.

Die hohen Kosten für neue Fabrikwerkzeuge machen es für die Hersteller unpraktisch, jedes Jahr völlig neue Designs zu produzieren. Völlig neue Entwürfe werden in der Regel in drei- bis sechsjährigen Zyklen programmiert, wobei während dieses Zyklus in der Regel geringfügige Verfeinerungen vorgenommen werden. In der Vergangenheit waren bis zu vier Jahre für die Planung und den Kauf neuer Werkzeuge für ein völlig neues Design erforderlich. Durch computergestütztes Design (CAD), Tests mit Hilfe von Computersimulationen und computergestützte Fertigungstechniken (CAM) lässt sich dieser Zeitaufwand heute um 50 Prozent oder mehr reduzieren. Siehe Werkzeugmaschine: Computergestützte Konstruktion und computergestützte Fertigung (CAD/CAM).

Automobilkarosserien werden im Allgemeinen aus Stahlblech hergestellt. Der Stahl wird mit verschiedenen Elementen legiert, um seine Fähigkeit zu verbessern, in tieferen Vertiefungen geformt zu werden, ohne dass er in den Fertigungspressen Falten wirft oder reißt. Stahl wird wegen seiner allgemeinen Verfügbarkeit, seiner geringen Kosten und seiner guten Verarbeitbarkeit verwendet. Für bestimmte Anwendungen werden jedoch auch andere Materialien wie Aluminium, Glasfaser und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften verwendet. Polyamid, Polyester, Polystyrol, Polypropylen und Ethylen-Kunststoffe wurden für eine höhere Zähigkeit, Beulenfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen spröde Verformung entwickelt. Diese Materialien werden für Karosserieteile verwendet. Die Entwicklung von Werkzeugen für Kunststoffteile ist in der Regel kostengünstiger und zeitsparender als für Stahlteile und kann daher von den Konstrukteuren zu geringeren Kosten geändert werden.

Um die Karosserien vor korrosiven Elementen zu schützen und ihre Festigkeit und ihr Aussehen zu erhalten, werden spezielle Grundierungs- und Lackierverfahren eingesetzt. Die Karosserien werden zunächst in Reinigungsbäder getaucht, um Öl und andere Fremdkörper zu entfernen. Danach durchlaufen sie eine Reihe von Tauch- und Spritzzyklen. Üblich sind sowohl Emaille als auch Acryllack. Die elektrolytische Abscheidung des gespritzten Lacks, ein Verfahren, bei dem das Lackspray elektrostatisch aufgeladen und dann durch eine Hochspannung von der Oberfläche angezogen wird, trägt dazu bei, dass eine gleichmäßige Schicht aufgetragen wird und auch schwer zugängliche Stellen abgedeckt werden. Um den Trocknungsprozess in der Fabrik zu beschleunigen, werden Öfen mit Förderbändern eingesetzt. Verzinkter Stahl mit einer schützenden Zinkbeschichtung und korrosionsbeständiger Edelstahl werden in Bereichen der Karosserie verwendet, die eher korrodieren.