Jahresübersicht 2013

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sein scheint, bleibt der Verbrennungsmotor nach wie vor auf absehbare Zeit wohl der wichtigste Antrieb. Dies wurde auch auf den einschlägigen Fachtagungen (83. Internationaler Autosalon Genf, Wiener Motorensymposium, VDI-Tagung „Gießtechnik im Motorenbau“, 8. MTZ-Fachtagung „Der Antrieb von morgen“), auf denen hauptsächlich neue Konzepte zur Optimierung des Verbrennungsmotors – entweder als alleinige Antriebsquelle oder als Hybrid- Technologie präsentiert wurden, deutlich [3] bis [6]. Doch unabhängig davon, wie der Antrieb der Zukunft aussehen wird, bleibt aus fertigungstechnischer Sicht vor allem die Erzeugung leichter und dennoch hochfester Bauteile als avisiertes Entwicklungsziel bestehen. Um den gegebenen Herausforderungen auf dem Weg zur Erschließung neuer Potentiale für kommende Fahrzeuggenerationen gerecht zu werden, ist dabei laut S. Knirsch [7] und E. Flender [8] eine engere Vernetzung sowohl zwischen industrieller und wissenschaftlicher Forschung als auch zwischen Fahrzeugentwicklung und Fertigungstechnik unabdingbar. Hier stehen im Wesentlichen die Entwicklung neuer, auf den spezifischen Anwendungsfall optimierter Werkstoffe und Legierungen, die exakte Prognose und Bestimmung der im realen Bauteil vorliegenden lokalen Werkstoffbeanspruchungen sowie die Einhaltung höchster Qualitätsanforderungen unter dem Aspekt einer sowohl ökologisch als auch ökonomisch nachhaltigen Produktion im Fokus der Forschung, um den zukünftig prognostizierten Bauteilbelastungen standzuhalten und die Fahrzeugentwicklung weiter voranzutreiben. Neben der fast schon als selbstverständlich erscheinenden Einhaltung höchster Qualitätsanforderungen von immer komplexer werdenden Gussbauteilen rücken vor dem Hintergrund der prognostizierten Verschiebung der Absatz- und Produktionsmärkte zusätzlich sowohl eine kontinuierliche Optimierung der Fertigungsbedingen hinsichtlich Kosten und Ausbringung, als auch eine stetige Steigerung der Energie- und Materialeffizienz in den entwicklungstechnischen Fokus. Die vorliegende Jahresübersicht soll in diesem Zusammenhang die maßgeblichen Innovationen aus den Bereichen Motorenbau, Fahrwerks- und Karosseriebau, Fertigungsverfahren, Werkstoffentwicklung und Qualitätssicherung beleuchten. Trends und konstruktive Neuheiten im Motorenbau Mit dem Ziel der Standardisierung sowie der Möglichkeit, eine weltweite Motorenproduktion zu gewährleisten, wurde von R. Szengel u. a. [9] das von der Volkswagen Bild 1: Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer [9]. AG eingeführte Prinzip des modularen Querbaukastens für Ottomotoren am Beispiel der neuen Motorvariante EA211 präsentiert. Die Anforderungen an diese Neukonstruktion zielen gemäß den Autoren im Wesentlichen auf eine kompaktere Bauweise, eine Reduzierung des Motorgewichts und der damit verbundenen Reduzierung von Verbrauch und Emissionen sowie eine Vereinheitlichung der Einbaulage ab. Kennzeichnend für die Motoren dieser Baureihe sind die Anwendung der Vierventiltechnik, der Antrieb der Nockenwelle über Zahnriemen sowie die Anwendung eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses. Als weiteres Charakteristikum wird im Beitrag die Integration des Abgaskrümmers (Bild 1) in den Zylinderkopf bereits beim Gießvorgang hervorgehoben. In dieser Bauweise fungiert der Abgaskrümmer als wirksamer Wärmetauscher und sorgt so während des Warmlaufs des Motors zum einen für eine schnelle Aufheizung desselben und zum anderen für eine komfortable Erwärmung des Fahrzeuginnenraums. Im Volllastbereich erfahren die Abgase hingegen eine Temperaturabsenkung um 100 K, sodass der Kraftstoffverbrauch in diesem Bereich um 20 % gesenkt werden kann. Im Vergleich mit den konventionell extern an den Zylinderkopf angeflanschten Abgaskrümmern können die Wandwärmeverluste infolge der geringeren Strömungswege der Abgase deutlich reduziert und der Motor somit insgesamt effizienter betrieben werden. Die Fertigung des Zylinderkopfes erfolgt im Kokillengießverfahren unter dem Einsatz der Legierung AlSi10Mg(Cu) mit zusätzlicher Wärmebehandlung. Wie im Beitrag weiter ausgeführt, wird das im Gegensatz zur Vorgängervariante der Motoren für die EA111- Reihe nochmals steifere Zylinderkurbelgehäuse in der aktuellen Generation unter Verwendung des Druckgießverfahrens aus Aluminium gefertigt. Die Einsparung aus der Substitution des zuvor aus Gusseisen mit Lamellengraphit gefertigten Motorblocks durch Aluminium beträgt 16 kg, sodass ein Nettogewicht von 19 kg erreicht wird. Lediglich die Zylinderlaufbuchsen bestehen noch aus EN-GJL-250. Sie werden an den Außenflächen zur Verankerung mit dem Aluminiumgehäuse mit einer rauen Gussoberfläche versehen und an den Innenflächen in vier Stufen fluidstrahl-gehont. Durch die optimierte Konstruktion der Motoren lässt sich, verglichen mit der EA111-Variante, eine Kraftstoffeinsparung im NEFZ (Neuer Europäischer FahrZyklus) von 8 bis 10 % erreichen. Die neuen Motoren stehen in der TSI-Variante von 1,2 bis 1,4 l mit konventionellem Benzin sowie in der 1,4 l-Variante zusätzlich als Hybrid zur Verfügung; die Leistung reicht von 63 kW (1,2 l) bis 110 kW (1,4 l Hybrid). Ein weiterer Ansatzpunkt zur Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren, den die BMW AG verfolgt, wird von T. Eidenböck u. a. [10] beschrieben. So werden seit dem Jahr 2004 Sechszylinder-Dieselaggregate zweistufig aufgeladen. Dieses System der Doppelaufladung, bestehend aus einem kleinen für geringe Luftmassen ausgelegten sowie einem größeren für höhere Luftmassen ausgelegten Turbolader, gelangt jedoch bei gesteigerten Ladeluftdrücken an seine Grenzen. Zur Lösung des Problems wurde im neuen Sechszylinder-Dieselmotor ein Aufladesystem, bestehend aus einer Niederdruck- und einer Hochdruckstufe, eingeführt, wobei letztere durch zwei parallel angeordnete kleine Hochdruckstufen realisiert wird. Die Anhebung des Spitzendruckniveaus ist verbunden mit einer erhöhten Abgastemperatur, sodass eine neue Werkstoffauswahl getroffen werden Giesserei 100 07/2013 49
JAHRESÜBERSICHT muss und eine optimierte Konstruktion erforderlich ist. Hinsichtlich des für den einteiligen Abgaskrümmer verwendeten Gusseisens mit Kugelgraphit ist es notwendig, diesen Werkstoff durch Edelstahlguss zu ersetzen, da so eine verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit erreicht wird. Bezüglich der Konstruktionstechnik erfolgt eine veränderte Dichtungsausführung, bei welcher der Dichtring eine zusätzliche spezielle Beschichtung zur Gewährleistung der Dichtheit bei hohen thermischen Ausdehnungen erhält. Um weiterhin ein sehr niedriges Leistungsgewicht garantieren zu können, wird das Zylinderkurbelgehäuse weiterhin als Kokillengussstück unter Verwendung der wärmebehandelten hochfesten Legierung AlSiMg7Cu0,5 ausgeführt. Zur Festigkeitssteigerung erfolgt vor der Wärmebehandlung ein heißisostatisches Pressen des Rohteils. Des Weiteren erfahren sowohl Formfüllung der Kokille als auch Speisungssystem eine Neukonzipierung, um einen qualitativ hochwertigen Werkstoff vor allem in den hoch belasteten Zonen zu erhalten. Der Zylinderkopf des Boxermotors wird zur Festigkeitssteigerung ebenfalls einem heißisostatischen Pressen unterzogen und wird zur Bewältigung der hohen Zündkräfte über einen Zuganker mit dem Hauptlager der Kurbelwelle verbunden (Bild 2). Unter der Überschrift: „Verbrauchsreduzierungen umsonst gibt es nicht – zurück zum Motor aus Gusseisen? stellt die Ford AG den Trend zum Leichtmetallguss in Frage. Laut Expertise des Director of Global Powertrain, Research and Advanced Engineering bei Ford, Dr. Andreas Schamel [11], wird man bei der künftigen Realisierung der Downsizing-Konzepte sowie weiter reduzierten Schadstoffemissionen Bild 2: Zylinderkurbelgehäuse mit Zugankerkonzept [10]. speziell bei Ottomotoren bald die physikalischen Grenzen erreichen. Bezüglich des Downsizings, welches durch ein spezielles Aufladesystem realisiert wird, liegen die Gründe vor allem im begrenzten Beschleunigungsverhalten des Motors verglichen mit konventionellen Saugmotoren, da während der Beschleunigungsphase die Aufladung erst nach einigen Augenblicken anspricht. Infolgedessen werden die Aufladungskonzepte auch in Zukunft einer stetigen Verbesserung unterzogen, von effizienteren Kompressoren bis hin zu elektrisch unterstützen Ladern. Des Weiteren erachtet der Autor den damaligen Schritt von Ford, den Krümmer bereits während des Gießens in den Zylinderkopf zu integrieren, trotz diverser Kritik, als richtig. So verursachten die dadurch erreichbaren geringeren Temperaturen aufgrund des verbesserten Wärmeübergangs auch geringere Kosten bei der Werkstoffauswahl. Eine weitere wichtige Kernaussage bezieht sich auf die Verwendung von Gusseisen mit Lamellengraphit anstatt einer Aluminiumlegierung bei 3-Zylinder-Ottomotoren mit einem Hubvolumen von 1,0 l. Der wesentliche Vorteil ergibt sich aus der höheren Kompaktheit des Motorblocks. Zudem erweist sich der Nachteil durch das erhöhte Gewicht in dieser Motorvariante als äußerst gering. Durch die kompaktere Ausführung des Motors entfällt die Integration von Ausgleichswellen zur Beseitigung der unausgeglichenen Momente, da letztere mit den Abmessungen des Motors korrelieren und demzufolge bei geringeren Dimensionen obsolet sind. Eine allgemeine Tendenz zurück zum Motor aus Gusseisen lässt sich laut Schamel jedoch nicht feststellen, da bei höheren Hubräumen weiterhin Motoren aus Aluminiumlegierungen verwendet werden und in diesem Segment die Gewichtseinsparung am Zylinderkurbelgehäuse wieder eine höhere Rolle spielt. Trends und konstruktive Neuheiten im Fahrwerks- und Karosseriebau Einer der wesentlichen zu beobachtenden Tendenzen im Fahrwerks- und Karosseriebau ist der Trend zu funktionsintegrierten Strukturbauteilen. Zukünftig wird eine weitere Optimierung im Zusammenspiel von Konstruktion, Werkstoff und Fertigung in den Vordergrund rücken. So müssen neben neuen Werkstoffentwicklungen vor allem die Gießverfahren den hohen Bauteilanforderungen bei Fahrwerksanwendungen Rechnung tragen und den Belangen einer umweltgerechten, nachhaltigen Fertigung genügen, stellt A. Gebauer-Teichmann [12] fest. So beschreibt z. B. H. Eibisch [13] auf dem Spezialtag der VDI-Tagung „Gießtechnik im Motorenbau 2013“ in seinem Beitrag „Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Druckgussbauteilen im Karosseriebau“, dass Druckgussbauteile aus Aluminium seit Jahren eine zunehmende Rolle in der Leichtbaustrategie von Karosseriestrukturen spielen. Während gegenwärtig in erster Linie Fahrzeuge in kleinen und mittleren Stückzahlen mit Strukturbauteilen ausgestattet werden, besteht die zukünftige Herausforderung darin, diese auch in der Großserie einzusetzen. Sie müssen sowohl topologieoptimiert als auch fertigungsgerecht ausgelegt werden und zugleich höchsten Crash-Anforderungen genügen. Diese Zielsetzung erfordert eine durchgängige Prozesskettenkompetenz, bestehend aus Schmelzprozess, Legierungsentwicklung, Gießverfahren, Wärmebehandlung und mechanischen Bearbeitungsprozessen. Nur bei einer sicheren Beherrschung der Prozesskette können fahrzeugspezifische Anforderungen mit einer hohen Qualitäts- und Kostenorientierung realisiert werden. Ebenfalls zum Thema Strukturbauteile im Druckguss referierte A. Fent [14] von der BMW Leichtmetallgießerei, Landshut. Dabei standen die Druckgießwerkzeuge im Fokus. Immer kürzer werdende Zeitschienen zur Abnahme und Freigabe der Druckgießformen erfordern neuste Technologien und schlanke effiziente Abläufe in der Werkzeugauslegung. So ist eine virtuelle Abbildungen in allen Phasen des Herstellungsprozesses der Produktentstehung unabdingbar. Standardmäßig werden alle Werkzeuge bzgl. Formfüllung und Erstarrung simuliert. Zukünftig rücken Simulationstools zur Auslegung der Temperierung im Werkzeug als auch bei der Vorhersage 50 Giesserei 100 07/2013
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