Hochleistungsdiesel-Kurbelgehäuseentwicklung in Aluminium*)

HEFT 3/4 GIESSEREI-RUNDSCHAU 58 (2011)
Bild 2: Diesel-ZKG im CPS-Verfahren;
Daimler OM642 3.0 V6,
BMW N47 2.0 R4
Hinsichtlich der mechanischen
und thermischen Belastbarkeit
stellt dieses Konzept
den Vergleichsmaßstab
für Hochleistungskonzepte
dar.
Der größte Nachteil von Aluminium hingegen sind die höheren
Kosten von Legierung und Gussprozess im Vergleich zum
Grauguss-Block. Um ein leichtes und kostengünstiges ZKG zu
ermöglichen, wird die überwiegende Zahl (mehr als 90%) aller
PKW-ZKG aus Aluminium im Druckgießverfahren mit eingegossenen
Graugusslaufbuchsen produziert.
Die erreichbaren Werkstoffeigenschaften sind für die meisten
Anwendungen – vor allem Ottomotoren aber auch Dieselmotoren
mit Zylinderdrücken bis etwa 150 bar – völlig ausreichend.
Aktuell ist allerdings ein Anstieg der thermischen als auch
mechanischen Beanspruchungen aufgrund des Trends zu
Downsizingkonzepten mit steigenden spezifischen Leistungen
zu sehen [1]. Bei Hochleistungsdieselmotoren sind aktuell Drücke
bis 200 bar gefordert. Bei den aufgeladenen Ottomotoren
steigen die Drücke ebenfalls, in diesem Fall mit gleichzeitig starkem
Anstieg der thermischen Belastung der Laufbuchse.
Solche Hochleistungsanwendungen stellen eine große Herausforderung
für die Anwendung von Druckgusszylinderblöcken
dar. Die Gussprozeß-bedingte „open-deck“ Struktur, sowie
die typischen Materialeigenschaften (Porosität, Wechselfestigkeit,
Wärmebehandlungsfähigkeit) limitieren die Belastungsgrenzen.
Für solche Anwendungen bietet ein Sandgussprozess klare
Vorteile durch die größeren konstruktiven Möglichkeiten mit
dem Einsatz von Kernen und dadurch einer geschlossenen Topdeckstruktur,
sowie die deutlich besseren Materialeigenschaften
und die Wärmebehandlungsmöglichkeiten.
Aus diesen Gründen stellt für Hochleistungsmotoren mit
Aluminium-ZKG das Kernpaket-Gussverfahren (CPS) im allgemeinen
die leistungsfähigste Lösung dar, wie aktuelle Serienbeispiele
zeigen (Bild 2).
AVL stellte vor einigen Jahren ein hochbelastbares Leichtbaukonzept
(Bild 3) für Aluminium- sowie Magnesiumwerkstoffe
in dieser Veranstaltungsreihe vor, das in Zusammenarbeit
mit Fa. NEMAK im CPS-Verfahren ausgeführt und erprobt wurde
[2].
Entwicklungsziel
Gefordert war eine Konstruktion, die die Möglichkeiten eines
Al-Druckguss-Kurbelgehäuses mit Wärmebehandlung voll ausreizt.
Sie soll in einer Motorbaureihe auch dem hohen Spitzendruck
einer Diesel-Hochleistungsvariante mit seriell-sequentieller
Aufladung standhalten und gleichzeitig den Gewichtvorteil
behalten, mit exzellenten Büchsenverzügen und zulässigen
Dichtspaltschwingungen und Belastungen im Bereich der Zylinderkopfdichtung.
Eine motornahe Integration der Öl- und
Wasserführungen wurde angestrebt, um eine zusätzliche Versteifung
der Struktur zu erreichen. Das Kurbelgehäuse bildet zusammen
mit einem Aluminium Bedplate mit eingegossenen Lagerdeckeln,
einem Aluminium Kettendeckel und einer Aluminium
Ölwanne einen steifen und bezüglich Geräusch und Vibration
(NVH)*) vorteilhaften Verbund, der direkt an das
Getriebekupplungsgehäuse angeflanscht wird.
Entwicklungsziel war die Konstruktion, Simulation und Erprobung
eines Kurbelgehäuses, das die oben genannten Anforderungen
erfüllt. Eine seriennahe Konstruktion des Kurbelgehäuses
und Bedplates wurde in enger Abstimmung mit der Gießerei
entwickelt
Konstruktion und Simulation
Hauptmerkmale der ausgeführten Konstruktion
Das Druckgießverfahren schreibt die Ausformbarkeit in Stahl
zwingend vor. Die Open Deck Bauweise ist daher im allgemeinen
Randbedingung des Verfahrens. Die durch das Druckgießverfahren
bedingten Darstellungsmöglichkeiten wurden bereits
vor Beginn der Konzeptphase evaluiert. Dabei wurden Themen
wie Werkstoff und gießgerechte Auslegung, Struktursteifigkeit
und Akustik untersucht. Darüber hinaus gab es die Lastenheftanforderung
einer grosserientauglichen Konstruktion, die es ermöglichte,
bereits in der Prototypenphase Kurbelgehäuse aus seriennahen
Werkzeugen sowie einem seriennahen Gießprozess
mit Wärmebehandlung zur Verfügung zu haben.
Das gewählte ZKG Konzept zeichnet
sich durch folgende Eigenschaften aus:
• Open Deck ZKG mit Bedplate (Bild 4)
• Zylindervolumen ~400 cm 3 , mit Zylin
derstegbreite 10 mm
• Eingegossene Zylinderbüchse aus
Grauguss mit 2,7 mm Nominalwandstärke
• 4 mm Nominalwandstärke mit 1°
Ziehschrägen (im Wassermantelbereich
0,5°)
• Als Werkstoff wurde eine AlSi12Cu3
Legierung mit T6 Wärmebehandlung
gewählt. Die damit erreichten Werkstoffeigenschaften
liegen somit deutlich
höher als bei einer Standard-
Bild 3: Kurbelgehäusekonzept für den Leichtbau-Forschungsmotor
*) NVH = Noise Vibration Harshness
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