Karosserie

Halbschnitt durch die Karosserie eines Porsche 996

Als Karosserie, von französisch carrosse für Kutsche, bezeichnet man den kompletten Aufbau eines Kraftfahrzeuges. Sie wird in der Fachsprache auch Fahrzeugaufbau genannt, weil sie auf einem Fahrgestell oder einem Fahrwerk aufbaut.

Nicht selbsttragende Karosserie

Die nicht selbsttragende Karosserie ist die ursprüngliche Art, ein Kraftfahrzeug zu bauen. Sie baut auf einem Rahmen oder Fahrgestell auf. Als Rahmen wurden verschiedene Konstruktionsformen wie Leiterrahmen oder Rohrrahmen verwendet. Der Leiterrahmen ist heute noch für LKW und Geländewagen üblich. Der Rahmen wird manchmal auch Chassis genannt. Er übernimmt die gesamte Belastung, die beim Fahren auftritt. Die Karosserie, die auf den Rahmen aufgesetzt wird (im Allgemeinen verschraubt), war meist aus Holz hergestellt und bildete nur eine Außenhaut zum Schutz der Insassen oder der transportierten Güter. Erst später wurde Metallblech verwendet.

Karosserien werden nicht nur aus Stahlblech, sondern auch aus anderen Metallen (vor allem Aluminium) oder Kunststoff (dann oft GFK/CFK) hergestellt. Bereits Henry Ford experimentierte mit Kunststoffen aus Hanf. Auch sportlichere Fahrzeuge benutzen einen Gitterrohrrahmen, nehmen dabei Einschränkungen in der Auslegung zugunsten geringsten Gewichtes in Kauf und haben eine Außenhaut aus Kunststoff oder Leichtmetall. Diese Bauweise ist auch im Tourenwagensport üblich.

1920er-Jahre: Form- und Materialfindung

In den 1920er-Jahren wurde das Automobil in den USA, Japan und Zentraleuropa zum etablierten Verkehrsmittel, und im Karosseriebau fanden weichenstellende Entwicklungen statt. Mit der Verbreitung der Automobile wurde das äußere Erscheinungsbild der Fahrzeuge immer wichtiger. Auf Blech- und Holzbearbeitung spezialisierte Betriebe fertigten Karosserien individuell nach Händler- und Kundenwunsch an. Die Karosserie wurde zum Unterscheidungskritierium im Straßenverkehr, zum Zeichen für den persönlichen Stil und Geldbeutel des „Herrenfahrers“. Die ersten amerikanischen Wagen kamen Ende 1923 auf den deutschen Markt und veränderten die Sicht auf Automobile nachhaltig. Man sah es nicht mehr als reines Nutzfahrzeug, sondern als Schmuckstück. Die Modelle

„Buick, Cadillac, Willys Knight, Studebaker usw., […] diese nach hinten breit ausladenden Wagen, Wälzer, diese Lokomotiven“

galten zwar mitunter als unbequem und unzuverlässig, aber sie beeindruckten vom Karosseriebau her die deutschen Automobil- und Karosseriefabrikanten. Der Berliner Autojournalist Hanns Steiner stellte 1924 fest:

„Der alte, langweilige, serienhafte Aufbau, den jede Chassisfabrik noch 1918 benutzte, war nicht mehr verkäuflich. Leben, Farbe, Bewegung kam in die Karosserien. Formen mussten wechseln. Unser Stadtbild lebte, freudige Farbflecke liefen durch das Grau. Bis zum Grotesken steigerte es sich.“

Anfang der 1920er-Jahre war das Holz der wichtigste Chassis-Werkstoff. Die US-amerikanischen Hersteller Hudson und Essex waren Meister in leichtgewichtigen Holz-Karosserien. Jedoch zeichnete sich ein Wandel ab: Dodge und Overland verkauften ihre Vollstahl-Wagen mit großem Erfolg. Der amerikanische Ingenieur und Fachautor H. E. Tarantous beschrieb 1925 den Trend von der offenen zur geschlossenen Karosserie und räumte deswegen dem Holz keine großen Zukunftschancen mehr ein. Er belegte das mit einer Statistik des größten amerikanischen Karosseriebauers dieser Zeit, Fisher: Fisher stellte 1919 83.500 offene Karosserien her, 1924 waren es 239.502. Die geschlossenen Karosserien standen 1919 bei 31.318, 1923 überholten sie die offenen Aufbauten, und 1924 stellte Fisher 835.477 geschlossene Karosserien her.

Selbsttragende Karosserie

Eines der ersten Blechmonocoques im Fahrzeugbau: Karosserie des Citroën 11CV

Wegen des Fortschritts in der Blechverarbeitung und der notwendigen Gewichtsreduktion im Fahrzeugbau wurde die selbsttragende Karosserie entwickelt – das Monocoque. 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. Diese „selbsttragende Karosserie“ wurde zum Inbegriff für eine leichte und billige Bauweise und hat sich seit den 1950er-Jahren als Standard etabliert. Man spricht auch von Schalenbauweise. Die Steifheit wird durch die kompakte Blechhaut und hohle Blechquerschnitte mit möglichst großem Querschnitt und somit Widerstandsmoment erreicht (z. B. Schweller). Sicken erhöhen die Steifigkeit und die Eigenschwingungsfrequenz, um 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 unten offenes Profil (U-Querschnitt), während eine Limousine einem Rechteckquerschnitt entspricht (geschlossenes Profil) und so gleichzeitig bei geringerer Masse steifer und fester sein kann. Kombis haben weger 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.

Der Lancia Lambda von 1922 war das erste Auto mit selbsttragender Karosserie. Der Citroen 11CV (1934) und der deutsche Opel Olympia (1935) waren die ersten Serienwagen mit selbsttragender Ganzstahlkarosserie, die erste selbsttragende Karosserie aus glasfaserverstärktem Kunstharz hatte 1957 der Lotus Elite.

Skelettkarosserie (z. B. „Space Frame“)

Diese Karosseriebauart hat ein Skelett aus geschlossenen Hohlprofilen, die direkt oder über Knoten miteinander verbunden sind. Flächige Bauteile wie das Dach oder die Windschutzscheibe werden steif mit dem Skelett verbunden und nehmen Schubkräfte auf. Dadurch können neue Materialien, Teile und Techniken im Karosseriebau verwendet werden. Man verspricht sich dadurch Gewichtseinsparungen, hohe Verwindungssteifigkeit und neue Designmöglichkeiten. Ein Beispiel dafür ist der Aluminium Space Frame oder Audi Space Frame des Audi A8 und Audi A2. Audi benutzt seit 1993 Aluminium als Karosseriewerkstoff und verwendet Knoten aus Aluminium-Gusslegierungen, Tiefziehteile und Strangpressprofile.

Das erste Fahrzeug mit Space Frame (aus Stahl) war 1934 der Chrysler Airflow. Auch der in den frühen 1970er-Jahren in Berlin gebaute AWS Shopper hatte einen simplen Space Frame aus Vierkantrohren. Der Fiat Multipla war schon die zweite Generation eines Fahrzeuges mit Stahl-Space-Frame in Serie. Da die Umformung von geschlossenen Stahlprofilen problematisch ist, sieht man dem Fahrzeug diese Bauweise auch an.

Sollte ThyssenKrupp mit der angekündigten Fertigungstechnik für gewichts- und kostenoptimierte Hohlprofil-Bauteile rasch Markterfolg haben, stehen hier neue Möglichkeiten offen, weil als Werkstoff Stahl billiger ist als Aluminium. 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 neuartiges Konzept aus Stahl ist der NSB von ThyssenKrupp.

Werkstoffe

Holz

Bentley 6½ Litre Tourer (1926–1931)
Für das Fahrzeug typische Karosserie mit Kunstleder-Haut über einem Holzrahmen

Ford Modell A Tudor Sedan (1930) mit Holz-/Kunstleder-Dacheinsatz

Die Karosserien der ersten Autos waren komplett aus Holz gefertigt. Diese Bauweise war aus dem Kutschenbau geläufig. Holz wurde danach für die Struktur des Aufbaus verwendet. Die Karosseriehaut bestand aus Stahl- oder Alublech, seltener aus Leder oder Kunstleder. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der DKW F8. Diese Bauweise wird heute kaum noch angewendet; die Morgan Motor Company ist der wohl bekannteste aktive Hersteller von Autos mit einer solchen Karosserie.

Eine spezielle, vom frühen Flugzeugbau abgeleitete Konstruktionsweise ließ der französische Karosseriebauer und Geschäftsmann Charles Terrès Weymann in allen größeren Staaten patentieren. Holz hielt sich als Material für Dacheinsätze bei geschlossenen Aufbauten (zum Beispiel Ford Modell A), bis Mitte der 1930er-Jahre entsprechend große Pressen für Ganzstahldächer zur Verfügung standen.

Stahl

Stahlblech ist heute das meistverbreitete Material für den Automobilbau. Budd entwickelte Ende der 1920er-Jahre die Ganzstahlkarosserie. General Motors adaptierte sie 1934 in den USA („Turret Top“ design). Sehr lange waren aber keine genügend starken Pressen verfügbar, um komplette Autodächer zu pressen; daher sind bis in die 1950er-Jahre noch Fahrzeugdächer mit imprägnierten Stoffen hergestellt worden.

Um Korrosion zu verhindern, ist Stahlblech heute meist verzinkt; Audi stellte die meisten Fahrzeuge seit Ende der 1970er-Jahre bis 2005 mit Vollverzinkung her. Sehr viele Hersteller (z.B. VW und Daimler-Benz) bauten Karosserien mit Verzinkung der Bodengruppe. In allen Fällen wird dazu werkseitig, d.h. im Walzwerk verzinktes Stahl mit einer qualitativ hochwertigen kaltgewalzten Oberfläche verwendet.

Feuerverzinktes Blech ist immer beidseitig verzinkt, die Dicke der Zinkschicht beträgt 5 bis 10 Mikrometer. Elektrolytisch verzinktes Blech kann eine ein- oder beidseitig verzinkte Oberfläche mit einer Zinkschichtdicke von 2,5 bis 7,5 Mikrometern aufweisen, bei beidseitiger Verzinkung sind seitengetrennt unterschiedliche Werte möglich. Asiatische und amerikanische Hersteller verwenden häufig Bleche mit „Galvannealed“-Oberfläche, die durch die thermische Nachbehandlung einer feuerverzinkten Oberfläche entsteht. Blech mit galvanisch aufgebrachter Zink-Nickel-Schicht wird für Karosserieblech kaum noch verwendet. In allen Fällen wird die fertig aufgebaute Karosserie intensiv gereinigt, phosphatiert und im Tauchbad einer kathodischen Tauchlackierung unterzogen. Zusätzlich werden Nähte, Fugen und Hohlräume mit Kleb- oder Dichtstoffen versiegelt und nachträglich mit Wachs konserviert. Der Verzinkung des Blechs, gleich welcher Art, kommt immer die Rolle eines kathodischen Korrosionsschutzes zu. Dieser erbringt in Synergie mit den Lackierung, Konservierungs- und Abdichtungsmaßnahmen die vielfache Schutzdauer der Einzelmaßnahmen. Somit wirkt die Korrosion bei hochwertig gefertigten Karosserien nicht mehr als entscheidende Größe in der effektiven Nutzbarkeitsdauer.

Die häufig kolportierte „Vollverzinkung“ ganzer Karosserien im Automobilwerk wurde nie praktiziert, da mit dieser die komplexe Geometrie einer fertigen Karosserie mit Hohlräumen, vielfachen Blechdopplungen, Verklebungen und Dichtnähten nicht vollständig beschichtbar wäre.

Einige Hersteller sind aus Kostengründen dazu übergegangen, den Umfang der Verwendung verzinkter Bleche auf tatsächlich gefährdete Bereiche zu beschränken. Aus Gründen der Gewichtsersparnis werden zudem in neueren Entwürfen viele Hybridbauteile aus Aluminium- und verzinktem Stahlblech eingesetzt. Bei diesen besteht meist die tragende Struktur aus verzinktem Stahlblech und die äußerlich sichtbare Beplankung aus Aluminiumblech. Aus technischen Gründen und zur Vermeidung von Bimetallkorrosion werden solche Bauteile nur mechanisch formschlüssig miteinander verbunden und zusätzlich umfangreich verklebt.

Vereinzelt sind Fahrzeugkarosserien auch aus Edelstahl hergestellt worden. Testhalber tat dies die Porsche in den 1970er-Jahren; DeLorean stellte die Karosserien seiner Sportwagen komplett aus Edelstahl her.

Um die gegenwärtigen Anforderungen an die Stabilität (Crashverhalten), Gewicht und Aussehen der Karosserie zu erfüllen, wurden viele neue Stahlsorten entwickelt, die entweder sehr weich und gut verformbar (z. B. IF-Stahl) oder bei akzeptablen Umformeigenschaften trotzdem sehr viel fester sind (z. B. DP-Stahl).

Trotz der höheren Dichte gegenüber den unten genannten Materialien kann durch eine geeignete Kombination von Stahlteilen eine Karosserie hergestellt werden, die nicht schwerer, aber dafür billiger herzustellen ist als aus Leichtmetallen, die weniger fest und steif sind als Stahl.

Aluminium

Da die Dichte von Aluminium geringer als die von Stahl ist, gibt es erfolgreiche Bestrebungen, dies als Karosseriematerial zu etablieren. Trotz der höheren Kosten kann Aluminium wegen seiner vorteilhaften geringeren Dichte in vielen Anwendungen mit Stahl konkurrieren. Dabei muss allerdings der ebenfalls wesentlich geringere Elastizitätsmodul des Werkstoffes beachtet werden, wodurch für gleiche Steifigkeit entweder mehr Material (z. B. ca. 40 % dickere Blechstärke) oder mehr Bauraum benötigt wird. Eine vollständig aus Aluminium gefertigte Karosserie wird bereits in Großserie hergestellt (z. B. Audi A2 und A8, Jaguar XJ, Mercedes Benz SL oder Opel Speedster). Auch werden in der Mittelklasse einzelne Fahrzeugteile aus Aluminium gefertigt, so bestanden beispielsweise Motorhaube und Heckklappe des Subaru Legacy der vierten Baureihe aus Aluminium. Die Herstellung von Bauteilen aus Aluminium und auch das Fügen der einzelnen Bauteile benötigt dabei nicht mehr Zeit, als zum Beispiel bei Stahlteilen. Der Verbrauchs- und Emissionsminderung (Gewichteinsparung beim Fahrzeug) durch Aluminium-Leichtbau steht die 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. Eine besonders aufwendige Aluminium­bauweise betrieb Pierce-Arrow: Zwischen 1904 und 1920 bestanden wesentliche Bestandteile der Karosserie wie Torpedoblech, Seitenteile oder auch Türen aus Aluminiumguss.

Magnesium

Das Verwenden von Magnesium ist die konsequente Weiterentwicklung der Aluminiumkarosserie. Bisher werden nur Einzelteile aus Magnesium hergestellt, keine kompletten Karosserien.

Die Verwendung von Magnesiumblechen wird derzeit von verschiedenen Problemen begleitet. Eine grundsätzliche Schwierigkeit ist die begrenzte Umformbarkeit der hexagonalen Gitterstruktur des Magnesiums bei Raumtemperatur, die erst durch Warmumformung erweitert wird. Auch wegen seiner hohen Korrosionsneigung ist das Blech als Kotflügel oder Seitwand wenig sinnvoll (Steinschlag). Um den Schwerpunkt der Fahrzeuge weiter nach unten zu bewegen, kommen zudem eher Anwendungen im Hauben-, am besten aber im Dachbereich in Frage.

Porsche hat Magnesiumblech im Interieur erfolgreich in die Serie gebracht – die im Vergleich geringen Stückzahlen dürften diese Entscheidung mit Sicherheit positiv beeinflusst haben. Die Verwendung von Magnesiumblechen im Innenraum ist unkritisch, da Probleme wie Schmutz, Wasser oder aggressive Medien dort eher selten vorkommen.

Kunststoff

Das erste Auto mit kompletter Kunststoffkarosserie, das in Serie produziert wurde, war der Chevrolet Corvette. Der Trabant aus der DDR hat eine mit Phenolharz-Baumwoll-Kunststoff (Duroplast) beplankte Skelettkarosserie. Heute wird Kunststoff für viele Karosserieteile verwendet. Es gibt aber noch keine Großserienautos, deren Karosserie vollständig aus Kunststoff gefertigt ist.

Kunststoff hat den Vorteil, nicht zu korrodieren, und kann auch aus nachwachsenden Rohstoffen wie Pflanzenöl hergestellt werden. Das Herstellen einer solchen Karosserie ist besonders für kleine und mittlere Serien geeignet, da man sie auch handwerklich herstellen kann.

Heutzutage werden oft Solarautos und Energiesparautos mit einer Kunststoffkarosserie gebaut, um das Gewicht zu verringern. Dabei kommt statt reinem Kunststoff in der Regel GFK oder CFK zum Einsatz, um die Festigkeit und Stabilität im Vergleich zu reinem Kunststoff nochmals zu erhöhen.

In einem aktuellen Projekt will das Imperial College in London zusammen mit Volvo und weiteren Organisationen ein neues Verbundmaterial aus Kohlenstofffasern (Carbonfasern) und Polymerharzen entwickeln, das auch für den Karosseriebau eingesetzt werden könnte. Die Besonderheit ist, dass es Energie speichern können soll und somit die Karosserie gleichzeitig zum Akkumulator für zukünftige Elektrofahrzeuge wird.

Literatur

• Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X
• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2001, ISBN 3-528-13114-4.
• Life cycle assessment and recycling of innovative multimaterial applications. Dr. Stephan Krinke, Volkswagen AG, Wolfsburg, Germany, Dr. Antoinette van Schaik, MARAS, Netherlands, Prof. Dr. Markus Reuter, Ausmelt Ltd., Australia, Jürgen Stichling, PE International GmbH, Germany.
• „SLC“ Conference: INNOVATIVE DEVELOPMENTS FOR LIGHTWEIGHT VEHICLE STRUCTURES. Wolfsburg, Mai 2009, S. 185.

Weblinks

• Karosserie-Netzwerk / ein unkommerzielles Netz mehrerer angeschlossener Seiten zum Thema Leichtbau
• SLC „Super-Light-Car“ Projekt – Alle Automobil-Leichtbau-Werkstoffe (Stahl, Al, Mg, Kunststoffe) im Vergleich