Der neue Fünfzylindermotor von Volkswagen

Der neue Fünfzylindermotor von Volkswagen Teil 1: Konstruktion und Motormechanik Von Bern Ebel, Uwe Kirsch und Frank Thomas Metzner Der VR6-Motor bildete die Ausgangsbasis für die Entwicklung eines Fünfzylindermotors mit 2,3 dm 3 Hubvolumen, einer Leistung von 110 kw und einem maximalen Drehmoment von 205 Nm bei 3200/min. Die grundlegenden geometrischen Abmessungen des VR6-Motors wurden beibehalten. Die höheren spezifischen Leistungswerte wurden unter anderem durch Einführung eines Schaltsaugrohrs, modifizierter Nockenkonturen und eines Abgasrohrkrümmers erreicht. Der Motor kommt mit jeweils angepaßter Anordnung der Nebenaggregate sowohl im Längs- als auch im Quereinbau zum Einsatz. Die Abgasgrenzwerte nach dem Steuergesetz Schadstoffarm D3 werden durch einen geregelten Trimetall-Katalysator in Kombination mit einem Sekundärluftsystem sichergestellt. Der hier vorgestellte erste Teil behandelt die Grundlagen der Konstruktion, im zweiten Teil werden die Schwerpunkte Verfahrensentwicklung und Applikation vorgestellt. 1 Einleitung Das Bauprinzip von VR-Motoren vereint aufgrund des kleinen V-Winkels von 15 die Vorteile von V-Motoren (geringe Baulänge ) mit denen von Reihenmotoren (geringe Baubreite, nur ein Zylinderkopf, vollgelagerte Kurbelwelle) [1]. Damit wird auch für Motoren mit größeren Hubvolumina der Quereinbau im Automobil ermöglicht. Der Sechszylindermotor VR6 ging 1990 in die Serienproduktion [2, 3]. Dieser wird jetzt durch einen sowohl für den Längs- als auch für den Quereinbau geeigneten Fünfzylindermotor ergänzt, der bei 2,3 dm 3 Hubvolumen 110 kw leistet, Bild 1. Wichtige geometrische Abmessungen sind vom VR6-Motor übernommen worden. Somit können die Hauptbauteile wie Zylinderkurbelgehäuse, Kurbelwelle, Zylinderkopf und Nockenwellen auf gleichen Fertigungslinien mechanisch bearbeitet und montiert werden. Ferner sollte die Zahl der unterschiedlichen Komponenten möglichst gering gehalten werden. Trotzdem waren eine Reihe von Bauteilen neu zu entwickeln beziehungsweise an die spezifischen Randbedingungen des Fahrzeugeinbaus anzupassen. Der um 51 mm kürzere Fünfzylindermotor wurde durch Entfall des vorderen Zylinders aus dem VR6 abgeleitet. Damit wurden wesentliche Konstruktionsmerkmale und investitionsintensive mechanische Bearbeitungen am Zylinderkurbelgehäuse wie zum Beispiel 8 getriebeseitiger Steuertrieb Anordnung und Antrieb der Ölpumpe getriebeseitige Ausführung des Zylinderkurbelgehäuses beibehalten.

Tabelle 1 :Technische Daten Table 1 : Technical data Bild 1: Längs- und Querschnitt des Fünfzylindermotors Fig. 1: Longitudinal and cross section of 5-cylinder engine Dagegen mußte die Anordnung der Nebenaggregate aufgrund der kürzeren Baulänge sowie der veränderten Einbausituation neu konzipiert werden. Die wichtigsten technischen Daten sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt. 2 Triebwerk Die Grundkonzeption entspricht mit Grauguß-Zylinderkurbelgehäuse, einteiligem Aluminium-Zylinderkopf und Überkopfsaugrohr im wesentlichen der des VR6. Im folgenden werden daher lediglich die Abweichungen zum Sechszylindermotor beschrieben. 2.1 Zylinderkurbelgehäuse Das Kurbelgehäuse besteht wie das des VR6 aus mikrolegiertem, perlitischem Grauguß, Bild 2. Es ist mit 407 mm nur unwesentlich länger als das eines kleineren Vierzylinder- Reihenmotors (379 mm), jedoch erheblich kürzer als bei einem hubraumähnlichen Fünfzylinder-Reihenmotor mit 475 mm. Zur Gewichtsreduzierung und Optimierung der Temperaturverteilung wurde die Höhe des Wassermantels um die Zylinder um 27 mm reduziert. Der Zylinderkopf wird durch 18 in Tabelle 1: Technische Daten Table 1: Technical Data Bauart VR Hubvolumen dm 3 2,324 Bohrung mm 81,0 Hub mm 90,2 Verdichtungsverhältnis 10,1 Pleuellänge mm 164,0 Pleuelstangenverhältnis 0,274 Zylinderabstand mm 65,0 V-Winkel 15 Schränkung mm ±12,5 Kurbelwellenlagerung 6-fach Hauptlagerdurchmesser mm 60,0 Pleuellagerdurchmesser mm 54,0 Einlaßventildurchmesser mm 39,0 Auslaßventildurchmesser mm 34,2 Zündfolge 1-2 - 4-5 - 3 Ventilhub Einlaß Zyl. 1,3,5 / 2,4 mm 10,7 / 10,2 Ventilhub Auslaß Zyl. 1,3,5 / 2,4 mm 10,2 / 10,7 Zündung Ruhende Hochspannungsverteilung mit Einzelfunkenspulen Kraftstoff ROZ 95 / 91 Nennleistung kw 110 bei Drehzahl min -1 6 000 Max. Drehmoment Nm 205 bei Drehzahl min -1 3 200 Max. Nutzmitteldruck bar 11,1 Mittlere Kolbengeschwindigkeit m/s 18,1 9

Bild 2: Zylinderkurbelgehäuse Fig. 2: Crankcase des Ölwannenflansches und optimierter Anbindung der Hauptlagerstühle erreicht. Der Flansch zum Getriebe wird durch zusätzlich eingeführte Rippen abgestützt. Die globalen Eigenschwingungen des Kurbelgehäuses, zum Beispiel die erste Biegeeigenform, konnten dadurch in ihrer Frequenz auf mehr als 1 100 Hz angehoben werden. Zur Vermeidung lokaler Schwingungsformen sind die Seitenwände des Kurbelraumes bombiert. Bild 3 zeigt die Verteilung der Körperschallschnelle des Kurbelgehäuses. Im Frequenzbereich bis 1,5 khz wurde eine Pegelreduzierung bis zu 2 db erreicht, die zu höheren Frequenzen abnimmt. Insgesamt zeigt das Schmalbandspektrum infolge der Verbrennungsanregung keine signifikanten Pegelüberhöhungen. drei Reihen angeordnete Zylinderkopfschrauben befestigt. Wegen der setzungsfreien Zylinderkopfdichtung konnte die Vorspannkraft der Zylinderkopfschrauben reduziert und damit der statische Zylinderverzug um 14 % abgesenkt werden. Aufgrund der engen Anordnung der Zylinderrohre und der kurzen Baulänge ist das Kurbelgehäuse im Bereich der Deckplatte im Vergleich zu Reihenmotoren bereits sehr steif. Die weitere Verbesserung des Schwingungsverhaltens wurde durch Verstärkung 2.2 Kurbeltrieb Die sechsfach gelagerte Kurbelwelle wird aus modifiziertem GGG 70 gegossen, Bild 4. Zur Erzielung eines gleichmäßigen Zündabstandes sind die Kröpfungen für die Zylinder 2 und 4 um 21 50 gegenüber dem Kurbelstern eines Reihenmotors versetzt. Die Auslegung der Gegengewichtsmassen wird durch die Bauraumverhältnisse im Kurbelraum eingeschränkt. Deshalb wurde der ansonsten nahezu vollständige Ausgleich der rotierenden Massen bei den vier innenliegenden Gegengewichten auf etwa 73 % beschränkt. Ein Zweimassen-Schwungrad erlaubt durch die Reduzierung der kritischen Torsionsbelastung trotz der anspruchsvollen Bauteilgeometrie den Einsatz einer Gußkurbelwelle. Aufgrund der schmalen Wangen treten die höchsten Torsionsbeanspruchungen am Übergang zwischen Pleuelzapfen und Kurbelwange im unteren Bereich der Hohlkehle auf. Die Hohlkehlen aller Lager werden deshalb durch Rollrichten in der Festigkeit gesteigert. Das rechnerisch ermittelte, im Vergleich zum VR6 veränderte Schwingungsverhalten des Kurbeltriebs wurde mit guter Übereinstimmung durch Messungen bestätigt. Die unter Berücksichtigung aller Belastungen höchste Beanspruchung liegt in der Kröpfung des Zylinders 4 vor, Bild 5. Die dortige Lage des Drehschwingungsknotens des Triebwerks ist die Ursache hoher Torsionsbeanspruchung. Zusätzlich überlagern sich die Beanspruchungen aus dem Drehkraftverlauf der Zylinder. Das Hauptlager 6 wird besonders im Längseinbau auf- Bild 3: Verteilung der Körperschallschnelle des Kurbelgehäuses Fig. 3: Structure-borne noise velocity distribution of crankcase Bild 4: Fünfzylinder-Kurbelwellen in VR- und in Reihenbauart (oben) Fig. 4: 5-cylinder crankshafts in VR and in-line version (top) 10

Vergleichsspannung in N/mm 2 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Bild 5: Vergleichsspannungen in den Pleuelzapfen Fig. 5: Reference stresses in crankpins Ventiltellern aus NiCr20TiAl (Nimonic) und stückvergütete Ventilfedern sichergestellt. Die Ventilfederkräfte wurden für F 1 um etwa 16 % und für F 2 um etwa 7 % erhöht. Damit wird die Flattergrenze um zirka 350/min angehoben. Der Beginn des Ventilspringens liegt erheblich oberhalb der Abregeldrehzahl. Trotz dieser Maßnahmen tritt kein erhöhter Nocken- oder Tassenstößelverschleiß auf. An der getriebeseitigen Kettenkastenabdeckung sind die fünf Einzelspulen der Zündanlage mit ruhender Hochspannungsverteilung untergebracht. Die Zündendstufe ist fahrzeugseitig montiert. 2.4 Ölwanne grund von Eigenmoden des Schwungrades durch Umlaufbiegung belastet. Trotzdem bleibt die maximale Nennspannung im Betriebsdrehzahlbereich weit unterhalb des zulässigen Wertes. Die Lagerzapfen werden induktiv gehärtet. Für Haupt- und Pleuellagerschalen werden AlSn-Zweistofflager, zur Axiallagerung einteilige Anlaufscheiben verwendet. 2.3 Zylinderkopf/Ventiltrieb Das Zylinderkopfkonzept ist konstruktiv weitestgehend identisch mit der Sechszylinderausführung. Der VR6-Wasserkern war für eine nach vorn geneigte Motoreinbaulage ausgelegt. Für die senkrechte Motorlage des Längseinbaus wurde das Durchströmungsverhalten mit einem Modell aus Kunstharz überprüft. Durch Detailoptimierung des Wasserkerns und der Zylinderkopfdichtung wird eine gleichmäßige Durchströmung erzielt und die Bildung von Luftnestern und Totwassergebieten vermieden. Ein spezifisches Merkmal des VR- Zylinderkopfes sind die ungleich langen Auslaßkanäle. Die Wirksamkeit einer Sekundärluftzuführung zur Erfüllung der Abgasgrenzwerte wird durch Einblasung direkt hinter die Auslaßventile erhöht. Deshalb wird die Sekundärluft in den Zylinderkopf eingespeist und über einen zentralen Verteilerkanal und Stichbohrungen zu den Auslaßkanälen geführt. Der Antrieb der Nockenwellen erfolgt über einen geteilten Kettentrieb in der hinteren Zylinderbanknische. Die beim VR6 bislang eingesetzte obere Doppelrollenkette wird durch eine Einfachrollenkette ersetzt. Zur Erfüllung der erhöhten Leistungsforderungen war neben der Detailoptimierung der Einund Auslaßkanalgeometrie die Modifikation des Nockenprofils notwendig. Die Erhöhung des Einlaßventilhubes von 10,2 auf 10,7 mm führt trotz der Verkürzung der Ventilöffnungsdauer um 3 KW zu einem fülligeren Öffnungsverlauf. Dabei wird zugunsten eines hohen Drehmomentes auf maximal mögliche Leistungswerte verzichtet. Aufgrund der veränderten Nockenkontur treten um 30 % höhere Ventilbeschleunigungen auf. Die Dauerhaltbarkeit des Ventiltriebs wird auch unter extremen Betriebsbedingungen durch Auslaßventile mit Bild 6: Ölwanne mit Schwallblechen Fig. 6: Oil sump with baffle plates Vor allem zur Verbesserung der Motorakustik kommt eine Ölwanne aus duktilem Aluminium-Druckguß zum Einsatz, Bild 6. Sie trägt sowohl erheblich zur Versteifung des Motor-Getriebeverbandes als auch des unteren Kurbelgehäusebereiches bei. Zur Reduzierung der Schallabstrahlung ist sie innen verrippt. In der Ölwanne sind zwei Schwallbleche zur Reduzierung der Ölverschäumung untergebracht. Bei 1 l Ölüberfüllung wird der Luftgehalt im Öl damit um bis zu 25 % gesenkt. Kontur und Versickung der Schwallbleche wurden rechnerisch so ausgelegt, daß die erste Eigenfrequenz erst erheblich oberhalb der Abregeldrehzahl auftritt. Eine flüssige Silikondichtung dichtet die Ölwanne gegen das Zylinderkurbelgehäuse ab. In der Motormontage wird die Dichtraupe zur Einhaltung konstanter Bedingungen automatisch auf das Kurbelgehäuse aufgetragen. Der vordere Dichtflansch und die Abdeckungen des Kettentriebs werden ebenfalls mit einem Flüssigdichtmittel montiert. 12

2.5 Ölkreislauf Der Aufbau des Ölkreislaufs entspricht mit geringen Modifikationen dem des VR6-Motors. Ölpumpe und Antrieb sind gleich, lediglich ist zur Anpassung an die neue Ölwanne ein neuer Gehäusedeckel erforderlich. Die in Versuchen ermittelte Position der Ansaugöffnung gewährleistet, daß die Ansaugung von Luft auch bei hohen Querbeschleunigungen sicher vermieden wird. Der vom Motorkühlmittel im Nebenschluß durchströmte Ölkühler wurde in Strömungsrichtung vor dem Ölfilter angeordnet. Der austauschbare Filtereinsatz ist voll veraschbar. Beide Komponenten sind mit einem Rückschlagventil zu einer kompakten Einheit zusammengefaßt. Für den Längseinbau sind sie in die Motorkonsole integriert, Bild 7. Das Steifigkeitsverhalten wurde mit FE- Rechnungen optimiert. Undichtigkeiten sowohl im Flanschbereich zum Kurbelgehäuse als auch am Ölfilterdeckel werden so trotz der Einwirkung der Lagerkräfte vermieden. Das Beruhigungsvolumen für die Kurbelgehäuseentlüftung ist in die akustisch entkoppelte Zylinderkopfhaube oberhalb des Kettentriebes integriert. Der Übertritt der Blow-by-Gase erfolgt sowohl durch den hinteren Kettenraum als auch durch einen stirnseitigen Zutritt zum Zylinderkopf. Die kurze Verbindung vom Austritt aus der Zylinderkopfhaube bis zum Eintritt vor die Drosselklappe wird durch ein Rückschlagventil entkoppelt. Für kalte Länder ist eine Beheizung der Schlauchverbindung vorgesehen. Trotz eingeschränkten Volumens aufgrund enger Bauraumverhältnisse wurde die geforderte 2,5fache Sicherheit gegen Ölreißen erreicht. 2.6 Abgaskrümmer/ Wärmeabschirmblech 3 Sauganlage Die Konstruktion des Saugrohres mit einem parametrischen CAD-System ermöglichte in einem sehr frühen Entwicklungsstadium die begleitende Berechnung und Optimierung. Für die experimentelle Absicherung standen innerhalb von zwei Wochen im Stereolithografie-Verfahren hergestellte, funktionsfähige Bauteile zur Verfügung. Die Auslegung des Ladungswechsels erfolgte mit dem Bild 7: Motorkonsole mit Ölfilter und -kühler Fig. 7: Engine bracket with oil filter and cooler Bild 8: Kunststoff- Schaltsaugrohr Fig. 8: Plastic switchable intake manifold Programmsystem PROMO. Die Ausführung der Sammler- und Kanalgeometrie sowie der kritischen Übergangsbereiche von den Kanälen in die Sammlervolumina wurde anhand von dreidimensionalen Strömungsberechnungen festgelegt. Das zweiteilige Saugrohr ist wie beim VR6 als Überkopfsaugrohr ausgebildet, Bild 8. Aufgrund des eingeschränkten Bauraums ist das Sammlervolumen in einen Haupt- und einen Leistungssammler aufgeteilt, Bild 9. In Zur Abgasführung kommt ein einteiliger, geschweißter Rohrkrümmer zum Einsatz, der jeweils für Längs- und Quereinbau angepaßt ist. Die größere Gestaltungsfreiheit in bezug auf Längenauslegung und Rohrzusammenführung führt im Vergleich zu einem zweiteiligen Gußkrümmer zu einem Leistungsgewinn von etwa 3 kw. Das zweiflutige Vorrohr faßt die Zylinder 1 und 4 sowie 2, 3 und 5 zusammen. Wegen der geringen zulässigen Bauteiltoleranzen werden die Rohre im Innenhochdruck-Verfahren umgeformt. Die Abdichtung zum Zylinderkopf erfolgt durch eine Metallsickendichtung. Zur Wärmeabschirmung wird ein doppelwandiges Wärmeabschirmblech eingesetzt. Aufgrund der hohen Wärmedehnungen muß der Ausgleich an den Befestigungspunkten mit Schiebemuffen erfolgen. Bild 9: Funktionsprinzip des Schaltsaugrohrs Fig. 9: Operating principle of switchable intake manifold Leistungssammler Leistungsrohr Schaltwelle Verzweigung Saugrohrunterteil Drehmomentrohr Drehmomentsammler 14

der Drehmomentstellung wird den Zylindern die Ansaugluft direkt über den Hauptsammler und 688 mm lange Schwingrohre zugeführt. In der Leistungsstellung wird über eine durchgehende, elastisch gelagerte Kunststoff-Schaltwalze die Verbindung zum Leistungssammler freigegeben. Die derart verkürzte Schwingrohrlänge beträgt 362 mm. Da die wirksamen Schwingrohrlängen zylinderbankabhängig sind, handelt es sich bei den Angaben um Mittelwerte. Bei 4 500/min erfolgt die Kanalumschaltung. Der Leistungssammler wird durch den Volumenstrom gefüllt, der an den geschlossenen Einlaßventilen der nicht ansaugenden Zylinder reflektiert wird. In der Einlaßphase kommt es dabei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Sammlervolumen, Bild 10. Die Berechnung zeigt bei 555 KW den Wechsel der Ausrichtung der Strömung vom Zylinder 3 auf Zylinder 1. Der Ansaugvorgang des folgenden Zylinders 2 führt zur Umkehr der Strömungsrichtung ab etwa 605 KW. Trotzdem erwies sich eine zunächst vorgesehene, zusätzliche Verbindung von Hauptund Leistungssammler aufgrund der rechnerischen Untersuchungen als nicht notwendig. Der mit dem Schaltsaugrohr erzielte Verlauf des Nutzmitteldruckes, Bild 11, liegt im Drehzahlbereich von mehr als 2 300/min oberhalb derjenigen, die von dem drehmomentorientierten VR6-Nfz-Motor mit 103 kw beziehungsweise dem leistungsorientierten VR6-Pkw-Motor mit 128 kw erreicht werden [4]. Bild 10: Strömungsverlauf im Sammlervolumen in der Einlaßphase Fig. 10: Flow profile in manifold in inlet phase Bild 11: Verlauf des Nutzmitteldruckes in Drehmoment- und Leistungsstellung Fig. 11: Mean effective pressure profile in torque and power setting 555 KW 575 KW Zylinder Zylinder 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 605 KW 635 KW Nutzmitteldruck in bar 13 12 11 10 9 8 7 Drehmomentstellung Leistungsstellung 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl in min -1 Für den zuerst in Serie gegangenen Motor für den Längseinbau besteht das Saugrohr aus Aluminiumguß. Dagegen wird das Saugrohr für den Quereinbau-Motor aus PA 6.6 mit 35 % Glasfaseranteil im Kernausschmelzverfahren hergestellt. Das Abstrahlverhalten der Kunststoffausführung ist im innengeräuschrelevanten Frequenzbereich günstiger, Bild 12. Der Gewichtsvorteil der Kunststoff-Sauganlage beträgt 3,0 kg. Die im Saugrohroberteil angeordnete Schaltung ist nach dem Schaltwalzenprinzip ausgeführt. Dies hat den Vorteil weniger Betätigungselemente sowie eines geringen Bauraumbedarfs. Die pneumatische Schaltbetätigung wird mit einem Elektroumschaltventil angesteuert. Das Saugrohrunterteil enthält luftumfaßte Einspritzventile sowie die Kraftstoff-Verteilerleiste mit Druckregelventil. Beide Komponenten werden als vormontierte und geprüfte Baugruppen angeliefert. Bild 12: Schalldruckpegel an der Motoroberseite mit Aluminiumund Kunststoff-Saugrohr Fig. 12: Sound pressure level on top of engine with aluminium and plastic intake manifold Schalldruckpegel in db (A) 10 Der Drosselklappensteller mit 68 mm Durchmesser ist mit integrierter Geschwindigkeitsregelung ausgestattet. Die getriebeseitige Anordnung der Drosselklappe ermöglicht kurze Luftansaugleitungen sowie die direkte Einleitung der Kurbelgehäuseentlüftung vor die Drosselklappe. Aluminium Kunststoff 31,5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 4 Nebenaggregate Für den Längseinbau werden die Nebenaggregate Lenkhilfepumpe, Wasserpumpe, Generator und Viscolüfter auf der Ansaugseite an einem einteiligen Halter aus Aluminium- 16

Bild 13: Nebenaggregat-Anordnung im Quereinbau (links) und Längseinbau (rechts) Fig. 13: Layout of auxiliaries for transverse engine (left) and longitudinally disposed engine (right) Druckguß angeordnet. Lediglich bei wahlweiser Ausführung mit Klimakompressor ist dessen Position separat auf der Abgasseite vorgesehen, Bild 13. Der Antrieb erfolgt auch bei vollständiger Bestückung mit Nebenaggregaten als Einriementrieb mit automatischem Spannelement. Der sechsrillige Keilrippenriemen wird aus EPDM hergestellt. Die Generator-Riemenscheibe ist zur Vermeidung von Riemengeräuschen bei Drehzahlen unterhalb des Leerlaufbereichs mit einem Freilauf ausgestattet. Für den Quereinbau ist die sehr kompakte Anordnung aller Nebenaggregate einschließlich des Klimakompressors auf der Ansaugseite mit geringen Modifikationen vom VR6-Motor übernommen worden. Die Wasserpumpe ist hier im Kurbelgehäuse untergebracht. Die Ausführung erfolgt ebenfalls als Einriementrieb. 5 Motorakustik 5.1 Freie Massenwirkungen Tabelle 2 : Normierte Massenkräfte und -momente von Motorenbauarten Table 2 : Normalised inertia forces and moments of inertia of different engines Bauart Res. Massenkraft / Hubvolumen Res. Massenmoment / Hubvolumen [N / dm 3 ] [N / dm 3 ] 1. Ordnung 2. Ordnung 1. Ordnung 2. Ordnung R4 0 6305 0 0 R5 0 0 155 795 VR5 620 760 170 430 VR6 0 0 188 88 V6-90 0 0 204 240 Zur Bewertung der freien Massenwirkungen der VR-Motoren im Vergleich zu anderen Bauarten werden diese für konstante Drehzahl ermittelt und auf das Hubvolumen normiert, Tabelle 2. Der Fünfzylindermotor in VR-Bauart weist alle betrachteten Massenwirkungen auf. Die Amplituden der wirkenden Kräfte und Momente sind von der Zündfolge abhängig. Die gewählte Zündfolge bildet hinsichtlich der Summenwirkung der äußeren Massenwirkungen der ersten und zweiten Ordnung ein Optimum. Die V- Anordnung führt bei ungerader Zylinderzahl zu freien Massenkräften, die jedoch zum Beispiel in der zweiten Ordnung erheblich geringer als bei einem Vierzylindermotor sind. Die primäre Wirkrichtung der resultierenden Massenkräfte ist die Motorquerachse, aufgrund des geschränkten Kurbeltriebs treten jedoch auch Kraftkomponenten in der Hochachse auf. Die sowohl bei Reihenmotoren ungerader Zylinderzahl als auch bei V-Motoren auftretenden Massenmomente treten auch beim Fünfzylinder der VR-Bauart auf. Dabei wirken sich jedoch der geringe V-Winkel von 15 und der im Vergleich zum Fünfzylinder-Reihenmotor kleinere Zylinderabstand günstig aus. Hinsichtlich der Größe der Massenmomente erster Ordnung ist der neue Motor bei den Sechszylindermotoren einzuordnen. In der zweiten Ordnung treten fünfzylindertypisch höhere Amplituden auf, die im Niveau zwischen den R5- und V6-Motoren liegen. Der Momentenvektor weist bei den Fünfzylindern in der Motorhochachse nur geringe Komponenten auf. Im Vergleich der Schwingwege zweiter Ordnung hubraumähnlicher Motoren ergibt sich daher zwar ein höheres Niveau als bei Sechszylindern in VR- beziehungsweise V-Bauart, jedoch niedrigere Werte als bei Reihenmotoren mit vier beziehungsweise fünf Zylindern, Bild 14. 18

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Die FE- Berechnung ergab eine Eigenschwingungsform mit horizontalen und vertikalen Anteilen. Das ermittelte, lokal auftretende Klaffen des Verbandes wurde in Laborversuchen bestätigt. Mit der Erhöhung der Anzahl der Verschraubungen im Verband, der Verbreiterung und einer verbesserten Verrippung der Kurbelgehäuse- und Ölwannenflansche zum Getriebe wurde die Anhebung der ersten Biegeeigenfrequenz um 15 Hz auf 210 Hz erzielt und das Klaffen beseitigt. Die Aluminium-Ölwanne trägt mit der Anhebung der ersten Eigenfrequenz um 63 Hz zu einem erheblichen Teil zur Gesamtsteifigkeit bei. Der Einfluß des Werkstoffs der Zwischenplatte (E-Modul) ist gering. VR5 1000 2000 3000 4000 5000 6000 R5-1 Drehzahl in min Die erzielte Verbesserung auf die Schwingbeschleunigung am Getriebe beträgt bis zu 40 %. Außerdem konnte die in der Ausgangssituation auftretende Resonanzüberhöhung ab etwa 4 700/min beseitigt werden, Bild 15. Beim Innengeräusch wurde dadurch in der zweiten Ordnung eine Pegelabsenkung von bis zu 6 db(a) erreicht. 6 Zusammenfassung Bild 14: Schwingwege zweiter Ordnung am Zylinderkurbelgehäuse Fig. 14: 2nd order vibration displacement at crankcase Der neuentwickelte, aus dem VR6-Motor abgeleitete Fünfzylindermotor ist sowohl für den Quer- als auch für den Längseinbau geeignet, weil er längengleich zum Vierzylinder-Reihenmotor ist. Die wegen der asymmetrischen Zylinderanordnung auftretenden freien Massenwirkungen sind gering und qualitativ im Bereich von Sechszylindermotoren einzuordnen. Die Auswirkungen auf die Schwingungen des Motor-Getriebeverbandes werden durch eine Aluminium-Ölwanne mit Getriebeanbindung kompensiert. Somit wird eine Komfortmotorisierung im Hubvolumenbereich zwischen 2,0 und 2,5 dm 3 realisiert. Der Nutzmitteldruck wurde vor allem durch den Einsatz eines Schaltsaugrohres in Verbindung mit einem Abgasrohrkrümmer und modifizierten Steuerzeiten im Vergleich zum VR6- Motor auf 11,1 bar gesteigert. Damit werden auch mit Zweiventiltechnik hohe spezifische Leistungswerte erreicht. Zur Erzielung einer hohen Betriebssicherheit und Produktqualität wurden während der Entwicklung etwa 500 Motoren bis zum Serienanlauf gebaut und erprobt. Literaturhinweise [1] Krüger, H.: Sechszylindermotoren mit kleinem V- Winkel. In: MTZ 51 (1990) Nr. 10, S. 410-418 [2] Naumann, F.; Voigt, D.; Deutsch, H.: Der neue VR6- Motor von Volkswagen. In: MTZ 52 (1991) Nr. 3, S. 100-105 [3] Erdmann, H. D.; Aschoff, G.; Börner, I.; Damminger, L.: Der neue VR6-Motor von Volkswagen. Entwicklungsschwerpunkte Motormechanik, Thermodynamik und Steuerung. In: MTZ 52 (1991) Nr. 4, S. 196-205 [4] Hoffmann, T. ; Metzner, F.: Der VR6-Motor in der neuen Produktversion der Volkswagen-Caravelle-Baureihe. In: MTZ 58 (1997) Nr. 2, S. 72-80 [5] Krüger, H. : Der Massenausgleich des VR6-Motors. In: MTZ 54 (1993) Nr. 2, S. 96-101 [6] Metzner, F.; Ebel, B.; Endres, H.; Uphoff, K.: Der neue 5-Zylinder-Motor aus der VR-Baureihe von Volkswagen. 6. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 20.-22.10.1997 Die Verfasser Dr.-Ing. Bern Ebel ist Unterabteilungsleiter für die Konstruktion Grundmotor der VR-Motoren bei Volkwagen. 2 Beschleunigungspegel in m/s 10 Ausgangszustand Serienbaustand 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl in min -1 Bild 15: Schwingbeschleunigung zweiter Ordnung vor und nach der Optimierung Fig. 15: 2nd order vibration acceleration before and after optimisation Dipl.-Ing. Uwe Kirsch ist Unterabteilungsleiter für die Konstruktion Gemischbildung / Applikation der VR-Motoren bei Volkswagen. Dr.-Ing. Frank Thomas Metzner ist Leiter Entwicklung VR-Motoren bei Volkswagen. MTZ You can read the English version of this article in MTZ worldwide. 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