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Neue ZKD's für neue Al-Mg-Kombibauweise Die nächste Generation der Reihensechszylinder-Ottomotoren von BMW steht kurz vor der Markteinführung. Der Dichtungshersteller Victor Reinz, Entwicklungspartner und Serienlieferant der internationalen Automobilindustrie, leistete durch seine neue Konstruktion einer Zylinderkopfdichtung einen entscheidenden Beitrag. Die Fünf-Lagen-Dichtung wurde an die Aluminium-Magnesium-Kombibauweise des Kurbelgehäuses dieses Motors angepasst. Die neue Generation der Reihensechszylinder-Ottomotoren NG6 von BMW besticht durch einen ausgewogenen Drehmomentverlauf über ein sehr breites Drehzahlband und eine hohe Spitzenleistung. Zur Gewichtsreduzierung schlägt BMW als Vorreiter einen zukunftsträchtigen Weg in die Al- Mg-Kombibauweise beim Grundmotor ein. Durch die Verwendung von Magnesium als Mantel für ein Aluminium-Insert in dem Kurbelgehäuse kommen auf die Zylinderkopfdichtung neben den klassischen Abdichtfunktionen von Brennraum, Öl und Wasser völlig neue Anforderungen aus dem Bereich des Korrosionsschutzes und der Reibungsminimierung zwischen den Bauteilen zu. Für dieses neuartige Dichtungskonzept wurden alle wesentlichen Entwicklungsschritte mittels FEA (Finite-Elemente-Analyse) simuliert. Auf diese Weise konnte die Entwicklungszeit der Zylinderkopfdichtung drastisch reduziert werden. Konstruktion der Zylinderkopfdichtung Um dem konsequenten Leichtbau bei BMW Rechnung zu tragen, setzt Victor Reinz für die Zylinderkopfdichtung einen bewährten Fünf-Lagen-Aufbau mit Doppel-Wellenstopper, Bild 1, ein. Die Dichtungstechnik wurde speziell an die Al-Mg-Kombibauweise des Kurbelgehäuses angepasst. Die Zylinderkopfdichtung beherrscht hohe elastische Bauteilverformungen und die durch die Kombibauweise veränderten thermisch-mechanischen Effekte. Der Wellenstopper stellt sich, bedingt durch die konstruktive Freiheit einer variablen Höhe und Breite, für dieses Motorkonzept als geeignete Stopper-Lösung dar. Die Stopper-Höhen wurden mit Hilfe detaillierter 3DFEA-Modelle, Bild 2, experimenteller Versuche im Labor sowie von Motorprüfständen exakt an die Randbedingungen des Motors angepasst. Speziell die am Umguss angebundenen Randzylinder mit den dort reduzierten Schraubenkräften unterscheiden diesen Motor von gewöhnlichen Open-Deck-Konstruktionen. Ein in diesem Bereich reduzierter Stopper verteilt die zur Verfügung stehenden Kräfte optimal auf den Dichtverbund und bewirkt geringere Verzüge in den Randzylindern. Ebenso wurde zur Verzugsminimierung an den Mittelzylindern eine an den Dichtverbund angepasste Höhenprofilierung in den Wellenstopper eingebracht. Dem engen Bauraum des Motors und den daraus resultierenden schmalen Stegen passt sich der Wellenstopper durch einen weiten stufenfreien Übergang an, um dort mit reduzierter Höhe und Wellenanzahl die Brennraumsicke vor Überpressung zu schützen. Dieser im Steg reduzierte Wellenstopper, Bild 3, bietet nun Platz für eine in der Federrate und Dauerhaltbarkeit optimierten Sicke. Die Zylinderkopfdichtung ist somit optimal auf alle Betriebsbedingungen des Motors angepasst. Korrosion und Lagenverbindung Eine zusätzliche Aufgabe der Zylinderkopfdichtung bei diesem Leichtbau-Motorkonzept besteht darin, die elektrochemische Korrosion zu unterbinden und dadurch den Magnesiummantel zu schützen. Die Zylinderkopfdichtung selbst besteht aus elektrisch leitendem Federstahl. In der elektrochemischen Spannungsreihe ist ein deutlich höherer Potenzialunterschied von Federstahl zu Magnesium gegenüber Federstahl zu Aluminium vorhanden. Dadurch ist eine höhere Korrosionsneigung des Magnesiums zu erwarten. Um eine Korrosion der Bauteile zu verhindern, ist der elektrische Kontakt zwischen Magnesiummantel und Zylinderkopfdichtung durch eine Isolationsschicht zu trennen, Bild 4. Victor Reinz verwendet als Isolationsschicht eine Modifikation der bekannten Hochtemperaturbeschichtung „thermoglide“. Dieser Werkstoff weist die Eigenschaften eines Isolators mit zusätzlicher Reibungsminimierung bei gleichzeitig sehr guter Standfestigkeit auf. In den Bereichen des Magnesiummantels wird durch einen ganzflächigen Auftrag der Beschichtung die Korrosion des Magnesiums erfolgreich unterbunden. Ein weiteres Korrosionsrisiko besteht an der Außenkontur. Dieses wird durch die am Außenrand angesammelte Feuchtigkeit zwischen Aluminiumzylinderkopf und Magnesiummantel im Kurbelgehäuse verursacht. Wasser und Feuchtigkeit, die zum Beispiel beim Reinigen eindringen, wirken als Elektrolyt und verursachen eine Korrosion der Bauteile. Ein wirkungsvoller Schutz ist hier nur durch eine vollständige Randabdichtung mit einem geschlossenen Elastomerwulst gewährleistet, Bild 4. Zur Herstellung der Elastomerwulst mit einer durchgehenden Länge von über 1,8 m wurde eine neue Werkzeugtechnik entwickelt. Beim Spritzen der Wulst wird dadurch ein Ausfließen des Elastomers zur Innenkante sicher verhindert, weil dort anhaftendes Material die Balance des Dichtverbundes beeinflussen kann. Die optimale Kontur der Randabdichtung und der Einfluss auf die gesamte Balance des Dichtverbundes wurden mittels FEA berechnet. Auch hier zeigte die fünflagige Konstruktion durch ihren hochsymmetrischen Aufbau und die erhöhte Einbaudicke ideale Voraussetzungen für eine sichere und langlebige Randabdichtung. Um die vorgestellten, korrosionshemmenden Maßnahmen der Zylinderkopfdichtung umsetzen zu können, wird ein neuartiges Verfahren zur Lagenverbindung angewendet. Standardmäßige Nietverfahren sind kaum möglich, weil die notwendigen Nietlaschen an der Randkorrektur nicht platziert werden können. Das nun verwendete Laserschweißverfahren bietet den Vorteil, die Verbindung an nahezu jeder Position der Zylinderkopfdichtung verwirklichen zu können. Bei diesem Verfahren werden die Lagen in den Open- Deck-Bereichen geschweißt, um keine zusätzliche Pressung auf den Magnesiummantel aufzubringen, wodurch der Dichtverbund geschwächt oder Korrosion verursachtwerden könnte. Fazit Hochleistungsmotoren wie der neue Reihensechszylinder-Ottomotor NG6 von BMW erfordern Dichtungskonzepte mit neuen Lösungsansätzen und Fertigungstechnologien. Durch den konsequenten Einsatz von FEA-Berechnungen konnten unterschiedliche Zylinderkopfdichtungen bewertet und die Auswirkungen auf das Dichtungssystem bereits in einer sehr frühen Entwicklungsphase vorhergesagt werden. Mit innovativen Doppel-Wellenstopper- Konzepten, fünflagigem Aufbau und einer neuen korrosionshemmenden Beschichtung wurden zukunftsweisende Wege bei der Entwicklung von Zylinderkopfdichtungen eingeschlagen. Die gezielte Umsetzung von Entwicklungsansätzen in funktionierende Produkte und die Entwicklung eines neuen Laserschweißverfahrens für eine rationelle Serienproduktion sind die Stärken des Neu- Ulmer Dichtungsherstellers Victor Reinz. Kontaktinformationen: REINZ-Dichtungs-GmbH Reinzstr. 3-7, 89233 Neu-Ulm, Deutschland Dipl.- Kffr. Nicole Schuhmacher, Pressestelle Phone ++49 (0)731/70 46-3 69, Fax ++49 (0)731/70 46-4 00 E-Mail nicole.schuhmacher@dana.com
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