Werkstofftrends im. EP Seite 1. Verbrennungsmotor. Dr.-Ing. J. Staeves EP-530 Metalle und Beschichtungen
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- Lorenz Dresdner
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1 Seite 1 Werkstofftrends. Dr.-Ing. J. Staeves Metalle und Beschichtungen
2 Seite 2 Einleitung. Historischer Vergleich. BMW 326 und BMW 520i. Baujahr Motor 6-Zylinder 6-Zylinder 6-Zylinder Hubraum Leistung 37 kw (50 PS) bei /min 110 kw (150 PS) bei /min 125 kw (170 PS) bei /min Höchstgeschwindigkeit 115 km/h 220 km/h 230 km/h Kraftstoffverbrauch (gemessen bei 90 km/h / außerstädtisch) 14 l/100 km 6,9 l/100 km 6,8 l/100km
3 Seite 3
4 Seite 4 Ableitung zukünftiger Entwicklungen aus Trends? Ich glaube an das Pferd. Das Automobil ist nur eine vorübergehende Erscheinung. [Kaiser Wilhelm II., um 1900] Nuklearbetriebene Staubsauger werden wahrscheinlich schon in 10 Jahren Realität. [Alex Lewyt, Präsident Lewit Vaccum cleaner Company, 1955] 640 KB sollten für jedermann genug sein. [Bill Gates, 1981] [Quelle: Voest Alpine Magazin 06/2004]
5 Seite 5 Werkstofftrends. Inhalt. Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe Gusskurbelwelle Kunststoffe Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik Metal Injection Moulding Aluminium- und Stahlsinterwerkstoffe Mischbau: Der richtige Werkstoff am richtigen Ort Mg-Al-KGH, Aluminiumschrauben Gebaute Nockenwelle Neue Herausforderungen Wasserstoff Steigende Temperaturen
6 Seite 6 Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe. Einfluß von Werkstoff und Nachbehandlung auf die Dauerbelastbarkeit einer Kurbelwelle Mindeststreckgrenze [MPa] rel. Dauerbelastbarkeit 0 GGG C38 + N2 BY C38 mod BY 10 Mn B 6 42CrMoS4 37 Cr 4 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 unbehandelt nitriert ind. gehärt. nitrocarburiert ind. gehärt. radiengerollt vergütet nitriert nitrocarburiert nitrocarburiert unbehandelt radiengerollt radiengerollt
7 Seite 7 Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe. Hohe Reinheit der Werkstoffe. Sauerstoffgehalt am Beispiel 100Cr6. 30 Sauerstoffgehalt [ppm] [F. Hengerer, HTM 57 (2002)]
8 Seite 8 Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe. Zunehmender Anteil von Kunststoffen. Sauganlage Zylinderkopfhaube mit Ölbascheidung Schallabsorber Ölsaugrohr Ölpeilstabführungsrohr Riemenscheibe
9 Seite 9 Werkstofftrends. Inhalt. Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe Gusskurbelwelle Kunststoffe Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik Metal Injection Moulding Aluminium- und Stahlsinterwerkstoffe Mischbau: Der richtige Werkstoff am richtigen Ort Mg-Al-KGH, Aluminiumschrauben Gebaute Nockenwelle Neue Herausforderungen Wasserstoff Steigende Temperaturen
10 Seite 10 Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik. VVT. Variabler Ventilhub. Excenterwelle Verstellhebel Nockenwelle Rollenschlepphebel HVA-Element Einlaßventil
11 Seite 11 Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik. Zunehmende Fertigungsgenauigkeit. Dampfmaschine: Einige zehntel Milleter Rollenschlepphebel Toleranzklassen zwischen 4 und 7 hundertstel Milleter Zwischehebel VVT Toleranzklassen von 7,5 tausendstel Milleter
12 Seite 12 Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik. Metal Injection Moulding. VVT-Zwischenhebel. Rollenlager Gehäuse Metal Injection Moulding- Fertigungsverfahren Arbeitskurve gefräst, klassiert, Genauigkeit µm-bereich
13 Seite 13 Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik. Aluminium-Sinterwerkstoffe. Variable Nockenwellenverstellung VANOS. Kettenrad sintern und kalibrieren Stator strangpressintern kalibrieren Rotor sintern und kalibrieren M d -Kompensationsfeder Gewichtseinsparung gegenüber Stahl-Stellern 800g Hoher Si-Anteil zur Sicherstellung der Verschleißfestigkeit Sintern zur kostengünstigen Erreichung der Maßhaltigkeit bei geringer Anzahl spanend bearbeiteter Flächen
14 Seite 14 Werkstofftrends. Inhalt. Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe Gusskurbelwelle Kunststoffe Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik Metal Injection Moulding Aluminium- und Stahlsinterwerkstoffe Mischbau: Der richtige Werkstoff am richtigen Ort Mg-Al-KGH, Aluminiumschrauben Gebaute Nockenwelle Neue Herausforderungen Wasserstoff Steigende Temperaturen
15 Seite 15 Mischbau. Werkstoffe für Kurbelgehäuse und Laufbuchsen. Benzin GJL Al+GJL-Buchsen Alusil Al-Mg M GG GJL Alusil Diesel GJL, GJV Reihensechszylinder M-Motor Grauguss Reihensechszylinder Benzinmotor Al mit GJL-Laufbuchsen Reihensechszylinder Benzinmotor Al-Mg Verbundkurbelgehäuse
16 Seite 16 Mischbau. Aluminium-Magnesium Verbundkurbelgehäuse. Zielsetzungen Gewicht Kurbelgehäuse [%] Grauguss - Sandguss - Alusil, Funktions- Integration - Für P>55kW/l - Niederdruckguss - Mg/Al, Funktions- Integration - Für P>55kW/l - Verbundguss
17 Seite 17 Mischbau. Aluminium-Magnesium Verbundkurbelgehäuse. Konstruktive Ausführung. Magnesiumumgossenes Aluminiuminsert Mg-Umguss Aluminiuminsert Mg-Bedplate Stahlsinterinserts Aluminiuminsert Mg-Bedplate mit Stahlsinterinserts
18 Seite 18 Mischbau. Aluminium-Magnesium Verbundkurbelgehäuse. Konstruktive Ausführung.
19 Seite 19 Mischbau. Aluminium-Magnesium Verbundkurbelgehäuse. Relaxationsverhalten von Schrauben in Mg. Schraubenrelaxationsverhalten bei 150 C, A226, AJ62, AZ Aluminium A226, Fv = 20kN AJ62, Fv = 20kN AZ91, Fv = 20kN 20 Fv [kn] Magnesiumlegierung für NG6 Ungeeignete Magnesiumlegierung Zeit [h]
20 Seite 20 Mischbau. Aluminium-Magnesium Verbundkurbelgehäuse. Aluminium-Zwischenschicht. Alusil Alusil Al-Beschichtung Anschmelzzone AJ62 AJ62 Anschmelzzone ohne Beschichtung Aluminiumzwischenschicht aufgebracht Flammspritzverfahren
21 Seite 21 Mischbau. Aluminium-Magnesium Verbundkurbelgehäuse. Gießanlage und Werkzeug. Magnesium- Durckguss-Anlage Durckgusswerkzeug Werkzeug mit eingelegtem Aluminiuminsert
22 Seite 22 Mischbau. Nockenwellen. Fertigungsverfahren und Werkstoffe. Geschmiedete Nockenwelle 1976, 6 Zylinder, 12 Ventile/NW Schalenhartguss 4375 g 1993, 12 Zylinder, 12 Ventile/NW Gebaut (Nocken aufgeschrumpft) 2533 g 2000, 6 Zylinder, 12 Ventile/NW Hohl gegossene Nockenwelle Auslass 2160 g, Einlass 2004 g 2003, P83, 10 Zylinder, 10 Ventile/NW hohlgebohrt 1100 g 2004, 6 Zylinder, 12 Ventile/NW Gebaut, IHU 1200 g Einsparung ggü. hohl gegossen
23 Seite 23 Werkstofftrends. Inhalt. Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe Gusskurbelwelle Kunststoffe Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik Metal Injection Moulding Aluminium- und Stahlsinterwerkstoffe Mischbau: Der richtige Werkstoff am richtigen Ort Mg-Al-KGH, Aluminiumschrauben Gebaute Nockenwelle Neue Herausforderungen Wasserstoff Steigende Temperaturen
24 Seite 24 Neue Herausforderungen. Wasserstoff.
25 Seite 25 Neue Herausforderungen. Steigende Abgastemperaturen. Neue Werkstoffe für Zylinderköpfe Ventile Auspuffkrümmer Abgasturbolader...
26 Seite 26 Werkstofftrends. Zusammenfassung. Leistungssteigerung konventioneller Werkstoffe Erweiterung des Einsatzbereichs kostengünstiger Werkstoffe Ersatz teurer Werkstoffe und Fertigungsverfahren Lokale Werkstoffoptierungen Neue Werkstoff- und Fertigungstechnik Neue Werkstoffeigenschaften Neue Bauteileigenschaften Gesamtoptum von Werkstoff- und Fertigungskosten Mischbau Der richtige Werkstoff am richtigen Ort Komplexere Bauteile Teure Werkstoffe nur da wo sie erforderlich sind Neue Herausforderungen Wasserstoffbeständige Werkstoffe Temperaturfeste Legierungen
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