lNNOVATlVE KONZEPTE ZUR THERMO-AKUSTISCHEN - Rieter

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Kapselung eines Vierzylindermotors liegt bei maximal 8 kg. Für ein B-Segment-Fahrzeug mit Dieselmotor lassen sich damit im NEFZ nach 12 h um 6 °C höhere Motortemperaturen erreichen, die in eine CO 2 -Reduktion von etwa 3 g/km übersetzt werden können, 4. Bezieht man das zusätzliche Gewicht der Kapselung ein, kann mit einer tatsächlichen CO 2 -Reduktion von 2,5 g/km gerechnet werden. Um eine vergleichbare CO 2 - Reduktion über eine Verringerung des Fahrzeuggewichts zu erreichen, müssten 40 kg eingespart werden. Die monetäre Bewertung dieses Vorteils sollte auch die neuen CO 2 -Grenzwerte berücksichtigen, die in Zukunft Geldstrafen für jene Flotten vorsehen, die über dem Grenzwert liegen. Eine der Herausforderungen bei der Realisierung einer thermo-akustischen Kapselung ist es, eine thermische Betriebssicherheit unter hoher Last zu erreichen. Dies steht im Konflikt mit der Anforderung, soviel Wärme wie möglich zu speichern, wenn das Fahrzeug nicht benutzt wird. Bei der karosseriemontierten Kapselung kann die Luft, die über den Kühler kommt, oder der Luftfluss von einem dafür vorgesehenen Kanal benutzt werden, um Wärmekonzentrationen zu reduzieren. Soll die Kapselung auch eine Verbesserung der Aerodynamik erzielen, muss der Luftfluss durch den Motorraum reduziert werden. Eine Analyse der Durchströmung des Motorraums mit CFD (Computational Fluid Dynamics) und eine Hitzestrahlungsberechnung zeigen in der Konzeptphase passende Lösungen auf. archiTeKTur der KOmPONeNTeN Um den Nutzen des thermisch-akustischen Gesamtsystems zu maximieren, hat sich Rieter bei der Produktentwicklung zum Ziel gesetzt, Systemgewicht und Bauteil-Interaktionen so gering wie möglich zu halten. Der begrenzte Bauraum sowie die Montage- und Serviceanforderungen erhöhen zudem die Komplexität des Gesamtsystems. Das von Rieter entwickelte Rie-BAY- Panel, 5, ersetzt diverse Design-Abdeckungen und den Motorhaubenabsorber durch ein einziges Element und führt zu einer deutlichen Gewichtseinsparung. Trotz der vollständigen Abdeckung zur Wärme- und Schallisolierung verschafft 3 Überblick des thermischen speicherpotenzials der verschiedenen Ansätze zur Motorkapselung die neuartige Materialtechnik auf Basis von temperaturbeständigen faserbasierten Materialien Gewichtsvorteile von bis zu 50 % im Vergleich zu Spritzgussteilen, 6. Der Aufbau besteht aus einer Ober- und einer Unterschale, die aus funktionsspezifischen, strukturell und akustisch optimierten Faserverbundwerkstoffen besteht. Die doppelschalige Bauweise kombiniert effizient folgende Funktionen: : : : : : CO [g/km] gewichTsZuNahme Zu basisFahrZeug TemPeraTuraNsTieg Zu basisFahrZeug Nach 12 sTuNdeN abKühlZeiT Nach warmlauF cO 2 -reduKTiON im NeFZ beZOgeN auF 1,9l-diesel hohe Schallabsorption hohe Steifigkeit Wärme-Isolation Integration von Kühlluft- oder Motoransaug-Kanälen Integration von Fußgängerschutz- Absorber sowie elektrischen Leitungen und Geräten. 200 195 190 185 180 175 170 165 160 155 150 mOTOrmONTierTe KaPsel 4 CO 2 Emissionen als Funktion der starttemperatur in NEFZ KOmbiNaTiON mOTOrmONTierTe uNd FahrZeugmONTierTe KaPsel Die optischen und haptischen Anforderungen der Automobilhersteller werden mit verschiedenen Textiloberflächen oder Folien erfüllt. Logos und Farbgebung lassen sich ebenso in die Oberschale integrieren. An der Motorseite werden mit textilen Werkstoffen die erforderlichen Akustikparameter eingestellt. Mit hitzereflektierenden Folien, aufgebracht innerhalb oder außerhalb der Schalen, kann bei der Abkühlung bis zu 1°C Restwärme zusätzlich gewonnen werden. Die Bauteilränder sind so konstruiert, dass die Dichtungsfunktion zur Motorhaube übernommen wird, ohne dass schwere Gummi-Dichtungen eingesetzt werden müssen. Gewicht, Teilezahl und Montagezeit werden so zusätzlich gesenkt. Der Konstruk- -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Motoröltemperatur am Anfang des NEFZ [°C] Messung an C-Segment, 1.9 l Diesel direkteingespritzt Extrapolation FahrZeugmONTierTe KaPsel 4,7 – 5,2 kg 7,1 – 7,5 kg 4,2 – 4,7 kg 6,6 9,4 6,1 1,7 % 2,7 % 1,9 % beTriebssicherheiT –/ ° –/ ° ° aKusTiK +/++ ++ +++ 01i2010 112. Jahrgang 23
TiTelThema AKusTiK 5 RieBAYDoppelschale aus Endkundensicht (links) und Konstruktion (rechts) teur und der Qualitätsprüfer profitieren bei einem Einzelteil, im Vergleich zu heute verwendeten Teile-Sets, von einem verbesserten Toleranz-Management. Das patentierte Doppelschalenkonzept ermöglicht zudem die kompakte Integration von Luftkanälen direkt im Bauteil. Weitere mögliche Integrationen könnten Elektronik, Leitungen und Luftfilterdarstellen. Das Rie- BAY-Panel bietet eine nahezu bauraumneutrale Ergänzung zu Wärme- und/oder Akustikkapselung, die relativ unabhängig von der eingebauten Motorvariante eingesetzt werden kann. Eine zusätzliche Motor- Design-Abdeckung entfällt durch diese Lösung. Schließlich führt die Materialkonzentration in einem einzigen Bauteil auch zu einer verbesserten Wiederverwertung. 6 Kosten und Gewichtsvergleich für vier Fahrzeugsegmente maTerialieN Für Thermische uNd aKusTische isOlieruNg im mOTOrraum Für motormontierte Teile wie Motorabdeckungen oder Abdeckungen für Antriebsriemen werden meist Spritzgusskomponenten aus PP oder PA mit aus Filz oder PU-Schaum geformten Absorbern verbunden. Jedoch sind diese Materialkombinationen wegen ihres hohen Gewichts (von 3 bis 4 kg/m 2 ) nicht geeignet für eine vollständige Kapselung. Karosseriemontierte Akustikteile werden häufig aus Glaswolle oder Baumwollfilz, mit Harz als Binder gefertigt und mit behandelten Vliesstoffen abgedeckt. Neben Kostenvorteilen bieten reFereNZ charaKTerisTiK b-segmeNT c-/d-segmeNT e-segmeNT heuTiges sTaNdardsYsTem 24 rie-baY- mOTOrraum- PaNel Material Motorabdeckungsteile PPspritzguss PP oder PAspritzguss PP oder PA spritzguss (bicolor!) Anzahl Teile 6 5 … 6 8 Gewicht (kg) 1,5 2,2 Material RieBAYPanel HTstrukturfaser HTstrukturfaser 6,3 inkl. Lufteinlass HTstrukturfaser + Dichtungsteile + Lufteinlass Anzahl Teile 1 1 1 Gewicht (kg) Kostensenkungs Potenzial 0,7 (–53 %) 1,5 … 1,8 –21 % … 33 % 4,1 (–36 %) +++ + … ++ + Bem.: Übernahme Dichtungsfunktion (Ersatz EPDM-Dichtungen) nicht berücksichtigt. diese Materialien vor allem eine insgesamt geringe Entflammbarkeit. Jedoch hat die Harzbindung Nachteile wie Geruch und VOC-Emissionen (Volatile Organic Compounds). In den letzten Jahren wurden bei Rieter akustische Materialien entwickelt, die genügend mechanische Festigkeit haben, um in selbsttragenden Teile eingesetzt zu werden. Ein Beispiel ist „KEST“ von Rieter, ein genadeltes Vliesmaterial, das aus einer Kombination von PP und einer variablen Menge an Glasfasern besteht, die speziell auf die akustischen und mechanischen Eigenschaften abgestimmt wird. Allerdings sind solche Materialien nicht für die hohen Temperaturen am Motor geeignet, da sie auf 140 °C begrenzt sind (kontinuierliche Temperatur an der Motoroberfläche). Es war somit notwendig, Materialien zu entwickeln, die mechanische Festigkeit, akustische Wirksamkeit, Wärmeisolierung und Wärmestabilität kombinieren. Der Frequenzbereich der maximalen akustischen Absorption kann auch mit der Laminierung eines akustisch wirksamen Baumwollstoffs angepasst werden (Luftströmungswiderstand im Bereich von 1000 MKS Rayls). Die sorgfältige Auswahl der Deckschichten aus Vliesstoffen oder Filmen ist wichtig, um die Aufnahme von Flüssigkeiten im Faserverbundwerkstoff zu verhindern, den geforderten Flammschutz (UL94 V0) zu erfüllen und annehmbares ästhetisches Aussehen zu erreichen.
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