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Leichtes Nockenwellenmodul aus hochfestem faserverstärktem Kunststoff im M 282-Vierzylinder-Benziner von Mercedes-Benz

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  • Leichtes Nockenwellenmodul aus hochfestem faserverstärktem Kunststoff im M 282-Vierzylinder-Benziner von Mercedes-Benz

    Leichte Komponenten können die durch den Transport verursachten CO 2 -Emissionen reduzieren . Daher hat Mahle zusammen mit dem Fraunhofer ICT und anderen Partnern ein Nockenwellenmodul aus hochfestem, faserverstärktem Kunststoff entwickelt und erfolgreich getestet. Durch Auswahl eines geeigneten Materials und Herstellungsprozesses sowie eines Moduldesigns und der Nutzung der Funktionsintegration in den Kunststoff können auch die Herstellungskosten des Moduls reduziert werden. Die relevanten Schritte des Entwicklungsprozesses und die Projektergebnisse werden in diesem Papier vorgestellt.


    Motivation, Ausgangssituation und Zielsetzung

    Die Senkung der CO 2 -Emissionen aus dem Verkehr ist ein wichtiges Ziel, zu dem die Reduzierung des Fahrzeuggewichts beiträgt [1]. Insbesondere bei Antriebssträngen von Verbrennungsmotoren besteht insbesondere beim Motor noch Potenzial zur Gewichtsreduzierung, beispielsweise bei Verwendung von Kunststoffkomponenten [2]. Nockenwellenmodule, eine wichtige Motorkomponente, bestehen derzeit noch aus Aluminium.

    In einem Forschungsprojekt wurde ein Nockenwellenmodul aus hochfestem, faserverstärktem Kunststoff entwickelt und erfolgreich getestet. Neben der Gewichtsreduzierung stand auch die Wirtschaftlichkeit im Mittelpunkt. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials und Produktionsprozesses sowie durch ein Moduldesign und die Nutzung der Funktionsintegration im Kunststoff können auch die Herstellungskosten für das Modul reduziert werden.

    Der Testträger war ein serienmäßiger M 282-Vierzylinder-Benziner von Mercedes-Benz [3]. Der Zylinderkopf des M 282 hat ein Delta-Design, Abbildung 1 [4]. Die Nockenwellen sind auf der Einlass- und Auslassseite in geteilten Lagern montiert und haben jeweils eine Abdeckung. Ziel des Projekts war es, das bisherige Design auf der Auspuffseite durch ein leichtes Nockenwellenmodul aus Kunststoff zu ersetzen.

    Der Mercedes-Benz M282 ist ein seit 2018 produzierter Vierzylinder- Benziner. Er wurde gemeinsam mit Renault entwickelt und ist der Nachfolger der 1.6L-Variante des M270-Motors .

    Der M282 wurde mit Renault im Rahmen der Zusammenarbeit von Daimler mit der Renault-Nissan-Mitsubishi-Allianz entwickelt . Der M282 hat das gleiche Design wie der Renault H5Ht-Motor mit DOHC und Direkteinspritzung . Der M282 ist auch der erste Mercedes-Reihenviermotor mit Zylinderabschaltung (am zweiten und dritten Zylinder) sowie einem Motorpartikelfilter. Es wird von der MDC Power GmbH im Thüringer Werk Kölleda hergestellt .

    Der M282 wird in den folgenden Modellen eingesetzt:

    M282 DE14 (80 kW Version)
    2018 - heute W177 A160
    2019 - heute W247 B160

    M282 DE14 (100 kW Version)
    2018 - heute W177 A180
    2019 - heute W177 A220e
    2019 - heute W247 B180
    2019 - heute C118 CLA 180

    M282 DE14 LA
    2018 - heute W177 A200
    2019 - heute W177 A250e
    2019 - heute W247 B200
    2019 - heute W247 B250e
    2019 - heute C118 CLA 200
    2019 - heute X247 GLB 200
    2020 - heute H247 GLA 220
    2020 - heute C118 CLA 250e

    Abbildung 1 Mercedes-Benz Serienmotor M 282 (© Daimler)

    Abbildung 1
    Mercedes-Benz Serienmotor M 282 (© Daimler)


    Anforderungen und Materialauswahl

    Die Auswahl des richtigen Materials richtet sich nach den Komponentenanforderungen. Aufgrund des Einsatzes direkt am Motor und der direkten Integration der Nockenwellenlager sind gute mechanische Eigenschaften - wie hohe Steifigkeit und Festigkeit - auch bei hohen Temperaturen von bis zu 180 ° C unerlässlich. Eine hohe Beständigkeit gegenüber Medien, insbesondere Wasser und Öl, ist ebenfalls erforderlich. Aufgrund dieser Anforderungen werden duroplastische Kunststoffe im gewünschten Anwendungsbereich gegenüber Thermoplasten bevorzugt: Die dicht vernetzten Makromoleküle in duroplastischen Materialien machen sie temperatur- und medienbeständiger. Als geeignetes Material wurde ein glasfaserverstärktes Phenolharz identifiziert. Neben guten mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Betriebstemperaturen und der erforderlichen Medienstabilität Das Material weist über seine Lebensdauer eine besonders hohe Druckfestigkeit, geringe Dichte und ein Kriechen von nahezu Null auf. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ähnelt auch dem von Aluminium, wodurch die thermischen Spannungen während des Betriebs verringert werden, da die meisten umgebenden Komponenten mit Ausnahme der Nockenwelle selbst aus Aluminium bestehen.

    Ein weiterer Vorteil des ausgewählten Materialsystems ist die Fähigkeit, es durch Spritzgießen zu verarbeiten. Beim duroplastischen Spritzgussverfahren können Bauteile mit sehr homogenen mechanischen Eigenschaften mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit hergestellt werden. Kurze Zykluszeiten und eine lange Lebensdauer der Maschine tragen ebenfalls zu einer wirtschaftlichen Produktion des Moduls in großem Maßstab bei.


    Konzept und Design

    Das Nockenwellenmodul ist eine Neuentwicklung, die unter Berücksichtigung der Funktions- und Materialanforderungen entwickelt wurde. Der vorhandene Zylinderkopf, der als Entwicklungsgrundlage diente, wurde im Bereich der Nockenwellenlager für die Prototypen angepasst. Um in ein Modul mit geschlossenen Lagern passen zu können, mussten alle vorhandenen Lagerblöcke im Zylinderkopf nachbearbeitet werden. Die Dichtbereiche für den Zylinderkopf und den Steuergehäusedeckel wurden bewusst übernommen, was eine seriennahe Implementierung ermöglichte. Die materialspezifischen Eigenschaften des duroplastischen Materials spielten bei der Konstruktion eine entscheidende Rolle. Im Bereich der tatsächlichen Lagerpunkte und der Modulschraubenverbindungen wurde das geometrische Design so geformt, dass die im Ventiltrieb auftretenden Kräfte vorzugsweise als Druckkräfte übertragen werden. Die Lagerpunkte konnten in Verbindung mit eingekapselten Aluminiumeinsätzen freistehend sein und somit einen ausreichenden Abstand für die anschließende thermische Verbindung der Nockenwelle aufweisen. Durch die relativ hohe Steifigkeit und Festigkeit des Duroplasten konnten Einsätze in den Bereichen der Schraubverbindung zwischen Modul und Zylinderkopf sowie der Abdeckung des Steuerantriebsgehäuses entfallen. Nur in Bereichen, in denen feine Gewinde im Modul verwendet werden, wie z. B. der Schraubverbindung für die Zündspulen und den Nockenwellensensor, oder in denen das Modul die Nockenwelle direkt trägt, wurden Metalleinsätze in die Spritzgussform eingesetzt und überspritzt. Um konsequent dem Modulansatz zu folgen, wurden die Schrauben für die Verbindung zum Zylinderkopf erfasst, um einen Verlust zu vermeiden.


    Simulation

    Die Finite-Elemente-Simulation wurde verwendet, um das Design numerisch zu optimieren und zu validieren. Die kritischen mechanischen und thermischen Belastungen wurden vom Serienmotor abgeleitet und als Randbedingungen im Simulationsmodell verwendet. Die Aufrechterhaltung der zulässigen Lagerverschiebung war eine Herausforderung, da der niedrigere Elastizitätsmodul des Duroplasten im Vergleich zu Aluminium die Einhaltung zunächst schwierig machte. Nach mehreren Iterationen und Optimierungen des Designs wurde die Steifigkeit des gesamten Moduls so stark verbessert, dass die Lagerverschiebungen im zulässigen Toleranzbereich bleiben ( Abbildung 2) . Lokale Spannungsspitzen wurden ebenfalls durch Konstruktionsanpassungen minimiert, so dass die erforderliche Ermüdungsbeständigkeit erreicht werden konnte ( Abbildung 3) .
    Finite-Elemente-Simulation des Nockenwellenmoduls: Die Abbildung zeigt die Gesamtverformung der Lagerflächen des Nockenwellenmoduls unter kritischer Belastung (© Fraunhofer ICT).

    Finite-Elemente-Simulation des Nockenwellenmoduls: Die Abbildung zeigt die Gesamtverformung der Lagerflächen des Nockenwellenmoduls unter kritischer Belastung (© Fraunhofer ICT).

    Finite-Elemente-Simulation des Nockenwellenmoduls: Das Design wurde iterativ so angepasst, dass die lokalen Zugspannungsmaxima im Bereich der Schraubverbindungen den Anforderungen an die Dauerfestigkeit entsprechen (© Fraunhofer ICT).

    Finite-Elemente-Simulation des Nockenwellenmoduls: Das Design wurde iterativ so angepasst, dass die lokalen Zugspannungsmaxima im Bereich der Schraubverbindungen den Anforderungen an die Dauerfestigkeit entsprechen (© Fraunhofer ICT).


    Werkzeugkonzept und Produktion

    Vor der endgültigen Konstruktionsgenehmigung führte der Materialhersteller eine Füllsimulation durch, um die ideale Injektorposition zu bestimmen und zu überprüfen, ob der Formhohlraum vollständig gefüllt ist. Für die Herstellung des Moduls war eine mehrteilige Spritzgussform mit Einsätzen und automatisierten Formschlitten erforderlich. Einer der Formschlitten mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 8 mm entformt den Hauptölkanal ( Abbildung 4 ) über die gesamte Länge des Moduls. Dieser Objektträger wird während des Probenahmevorgangs unterstützt und an Ort und Stelle gehalten. Die entsprechende Form wurde zusammen mit dem Werkzeugmacher entworfen, ausgelegt und hergestellt. Anschließend wurde mit einer Spritzgießmaschine begonnen, die das vergleichsweise große Bauteil mit 600 cm 3 spritzen kann in Volumen. Die hergestellten Prototypen wurden dann einem Temperprozess unterzogen. Dies führt zu Änderungen der Molekülstruktur des Kunststoffs, wodurch innere Materialspannungen beseitigt und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.



    Schnittansicht durch den Ölhauptkanal und die Bohrlöcher zu den Nockenwellenlagern (© Fraunhofer ICT)

    Schnittansicht durch den Ölhauptkanal und die Bohrlöcher zu den Nockenwellenlagern (© Fraunhofer ICT)


    Aufgrund der engen Toleranzen im Zylinderkopf und der Schnittstellen zu den Nockenfolgern ist eine Bearbeitung des Moduls erforderlich. Dies erfolgt in zwei Einstellungen. Im ersten Aufbau wurden der Dichtungsbereich, das Referenzloch, das Langloch und das Positionierungsloch für die Dichtung bearbeitet und die Ölzufuhrlöcher fertiggestellt. Im zweiten Aufbau wurde der gesamte Lagersitz bearbeitet. Um die engen Toleranzanforderungen für die Lager einzuhalten, wurde ein spezielles selbsttragendes Werkzeug verwendet. Die Bearbeitung wurde auch in einem beanspruchten Zustand durchgeführt, der die Schraubverbindung zwischen dem Modul und dem Zylinderkopf nachahmt, um die durch die Schraubverbindung verursachte Verformung des Moduls auszugleichen.

    Die Nockenwelle wurde dann im klassischen Schrumpfsitzverfahren im Kunststoffmodul montiert. Zu diesem Zweck wurden die Nocken, das Auslöserad und das Axiallager vor dem Zusammenfügen an ihren Winkelpositionen axial ausgerichtet. Sie wurden dann erhitzt und in einem einzigen Schritt mit dem Modul verbunden. Es bestand zu keinem Zeitpunkt des Fügeprozesses die Gefahr einer Überhitzung des Duroplasten. Sobald die verbundene Nockenwelle abgekühlt ist, werden die Lager geölt, um Schäden an den Lagerpunkten und an der Nockenwelle durch Trockenlauf zu vermeiden. Die für die Anwendung relevanten Merkmale der Welle wurden gemessen und dokumentiert, und der reibungslose Betrieb der Nockenwelle im Lagersitz wurde analysiert. Die ermittelten Verdrehmomente lagen alle im abgeschraubten Zustand unter 3 Nm.


    Validierung auf dem Prüfstand

    Vor der Validierung auf dem Prüfstand wurden Prototypen ohne Nockenwellen auf Qualität und mechanische Eigenschaften geprüft. Der Fokus lag auf dem duroplastischen Material und den Grenzflächen zu den Einsätzen. Mit einem Computer-Scan wurden die Komponenten auf Fehler im Kunststoff untersucht. Es wurden keine Materialfehler festgestellt, die den Testlauf beeinflussen würden. Ausziehversuche wurden auch an den Gewindeeinsätzen an der Außenseite sowie Verdreh- und Ausdrückversuche an den umspritzten Nockenwellenlagern durchgeführt. Die Ergebnisse waren zufriedenstellend: Das Verdrehmoment des Nockenwellenlagers war größer als 186 Nm, die axiale Ausdrückkraft größer als 9,9 kN und die mittlere Auszugskraft für Gewindeeinsätze bei 4,3 kN.

    Nach den Vorversuchen wurden Prototypen auf einem Prüfstand mit motorisiertem Motor validiert. Auf dem Zylinderkopfprüfstand ohne Kolbenzug wurde eine Serieneinheit (Mercedes-Benz Typ M 282) aufgestellt und das mit der Seriennockenwelle ausgestattete leichte Nockenwellenmodul abgasseitig eingebaut. Das Verdrehmoment der Nockenwelle im Modul betrug im eingebauten Zustand am Zylinderkopf ebenfalls weniger als 3 Nm. Der Aufbau des Prüfstands ist in Abbildung 5 ausführlich beschrieben .
    Abbildung 5 Motorprüfstand: Leichtes Nockenwellenmodul, 600 h am Schleppmotor getestet (© Mahle)

    Abbildung 5
    Motorprüfstand: Leichtes Nockenwellenmodul, 600 h am Schleppmotor getestet (© Mahle)


    Das Testprogramm für den Testlauf wurde gemeinsam koordiniert, Abbildung 6 . Während des Tests betrug die Öltemperatur 100 ± 5 ° C und der Öldruck 1 bis 3 ± 0,5 bar. Zusätzlich zur Ölkonditionierung wurde das Gerät über den Motorblock-Wasserkreislauf mit temperaturgesteuertem Wasser bei 84 ° C versorgt. Die maximale Drehzahl im Testprogramm betrug 6250 U / min ± 1%. Nach 100 h wurde das Programm unterbrochen und eine erste Bewertung des Moduls durchgeführt. Da in keiner Komponente Anomalien festgestellt wurden, wurde das Programm weitere 500 Stunden fortgesetzt.
    Abbildung 6 Testprogramm für Schleppmotortests (© Mahle)

    Abbildung 6
    Testprogramm für Schleppmotortests (© Mahle)


    Das Nockenwellenmodul hat den Dauertest über 600 h erfolgreich abgeschlossen. Eine Verformungsanalyse wurde auch vor und nach dem Dauertest unter Verwendung eines optischen 3-D-Messsystems durchgeführt. Zusätzliche Untersuchungen zeigten positive Ergebnisse. Durch die Demontage der Nockenwelle vom Modul konnten die Lagerpunkte nach dem Dauertest beurteilt werden. Wie Abbildung 7 zeigt, waren alle Lagerpunkte ohne Angaben, ebenso wie die Kontaktpunkte auf der Welle und den Nockenlagerflächen. Die Funktionalität des neu entwickelten leichten Nockenwellenmoduls wurde somit erfolgreich demonstriert und validiert.

    Abbildung 7 Die Lager haben keine abnormalen Laufspuren; Die scheinbaren Querrillen in den Lagerpunkten sind auf die Demontage der Welle und das Herausziehen der Welle aus der Lagerspur zurückzuführen (© Mahle).

    Abbildung 7
    Die Lager haben keine abnormalen Laufspuren; Die scheinbaren Querrillen in den Lagerpunkten sind auf die Demontage der Welle und das Herausziehen der Welle aus der Lagerspur zurückzuführen (© Mahle).



    Gewichtsreduzierung und Kosteneinsparungen

    Neben der erfolgreichen Demonstration der Funktionalität wurden auch die Ziele der Gewichts- und Kostenreduzierung erreicht. Im Vergleich zur herkömmlichen Ausführung des Serienmotors nimmt das Gewicht des Zylinderkopfes einschließlich des duroplastischen Moduls um 0,6 kg ab. Die Gewichtsreduzierung wird einerseits durch das Moduldesign erreicht, andererseits durch die Verwendung des leichten duroplastischen Materials. Eine Analyse zur Trennung dieser Effekte ergab, dass das Modul durch die Verwendung des duroplastischen Materials etwa 20% leichter als ein vergleichbares Aluminiummodul ausgelegt werden kann.

    Die Analyse der Wirtschaftlichkeit zeigt das Potenzial des duroplastischen Moduls. Im Vergleich zur herkömmlichen Konstruktion des Serienmotors wird erwartet, dass die Verwendung des leichten Nockenwellenmoduls in der Serienproduktion und die damit verbundene Eliminierung von Montageschritten wie Lagerschalen, Phaser und Nockenwellenpositionssensor kostenrelevante Zeit erzeugen Ersparnisse.


    Zusammenfassung und Ausblick

    Die Verwendung von Kunststoffen im Antriebsstrang bietet ein großes Potenzial zur Gewichts- und Kostenreduzierung, wie hier am Beispiel des entwickelten leichten Nockenwellenmoduls gezeigt wurde. Die Validierung des Moduls in einem abgefeuerten Motor ist in Planung. Interessant ist auch eine Analyse der Veränderungen des akustischen Verhaltens. Untersuchungen zeigen, dass sich die Verwendung eines duroplastischen Materials positiv auf das akustische Verhalten auswirkt und die Geräuschemissionen reduzieren kann [5]. Darüber hinaus ist die Optimierung des Herstellungsprozesses und der Form für die zukünftige Serienproduktion attraktiv, so dass das Bauteil direkt aus der Form heraus verwendet werden kann und die Endbearbeitung von Funktionsoberflächen entfällt. Untersuchungen des Potenzials zur Reduzierung von Treibhausgasen mit dem Modul sind ebenfalls erforderlich, um die Umweltauswirkungen im Vergleich zum Stand der Technik nicht nur während des Einsatzes des Fahrzeugs, sondern auch über den gesamten Lebenszyklus zu analysieren. Das Potenzial in diesem Bereich wurde in internen Analysen des Materialherstellers ermittelt.




    Verweise
    [1] Friedrich, H. E.: Leichtbau in der Fahrzeugtechnik. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2017

    [2] Berg, L.: Phenolharzspritzgießen - Anwendung in modernen PKW Antriebsstrangkomponenten. VDI conference High-performance plastics in application, Berlin, 2017

    [3] Schnüpke, H.; et al.: Modern, kompakt und effizient: M 282 - Der neue 1,4-Liter-Benziner von Mercedes-Benz. 26 th Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, Aachen, 2017

    [4] MBpassion: Neue A-Klasse: alle Details zu den neuen Motoren. Online: https://blog.mercedes -benz-passion.com/2018/02/neue-a-klasse-alle -details-zu-den-neuen-motoren-und-getriebe/, access: May 6, 2020

    [5] Berg, L.: Gewichtsreduktion und verbesserte Akustik - Mögliche Vorteile eines Zylindergehäuses aus Faserverbundwerkstoff. 9 th Engine and Assembly Acoustics Symposium, Magdeburg, 2017

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