Suchen

FVK-Leichtbau im Motor Hybrides Nockenwellenmodul entspannt Monteure und Umwelt

Redakteur: Peter Königsreuther

Ingenieure von Mahle und Forscher des Fraunhofer-ICT haben ein Leichtbau-Nockenwellenmodul mit faserverstärktem Kunststoff (FVK) geschaffen, das leichter montierbar ist und als Klimaschoner gilt.

Firmen zum Thema

Eine monolithische Bauweise mit integrierten Lagern erleichtert die spätere Montage des neu entwickelten Nockenwellenmoduls aus Kunststoff.
Eine monolithische Bauweise mit integrierten Lagern erleichtert die spätere Montage des neu entwickelten Nockenwellenmoduls aus Kunststoff.
(Bild: Fraunhofer-ICT)

Das leichte Nockenwellenmodul zeige, wie viele positive Effekte der Multimaterial-Leichtbau mit sich bringen kann. Gefertigt aus faserverstärkten Duromeren reduziert es das Gewicht von Verbrennungsmotoren, ist klimaschonender in der Herstellung und senkt die Montagekosten durch seine veränderte Bauweise. Gelungen ist dieses Leichtbauteil den Ingenieuren des Mahle-Konzerns gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und weiteren Partnern, heißt es weiter. Dieser Erfolg wurde im Juli-Thinking 2020 der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg gern präsentiert.

Faserverstärkte Duromere machen robust und leicht

Das neu konzipierte Nockenwellenmodul aus Kunststoff lässt sich nach Aussage der Wissenschaftler vom Fraunhofer-ICT deutlich leichter fertigen als ein Pendant aus Leichtmetall. Hinzu kommt, dass es im Vergleich zum herkömmlichen Bauteil etwa 0,6 kg Gewicht spart.

Bildergalerie

Bei der Wahl des Kunststoffs setzen die Projektpartner auf hochfeste, faserverstärkte Duromere. Der Grund dafür ist, dass diese Polymere hohen Temperaturen sowie mechanischen und chemischen Belastungen, wie sie etwa durch synthetische Motoröle und Kühlmittel verursacht werden, sehr gut standhalten.

Weniger Energiebedarf, mehr Fahrdynamik

Weil sich das Nockenwellenmodul aus faserverstärktem Duromer mit Aluminiuminserts im oberen Bauraum des Antriebsstrangs eines Verbrennungsmotor befindet, wirke sich sein Materialleichtbau gleich doppelt positiv aus. Denn zum einen wird durch das geringer Gewicht der Energieverbrauch, und damit der CO2-Ausstoß, reduziert. Zum anderen kann man so auch der Schwerpunkt des Fahrzeugs tiefer legen, um von einem Mehr an Fahrdynamik zu profitieren, heißt es.

Schon bei der Herstellung ein Umweltschoner

Klimaschonend soll sich das Bauteil schon bei seiner Herstellung zeigen, denn Kunststoffe mit hohem Faseranteil wiesen einen geringeren CO2-Footprint auf als das übliche Aluminium.

Ganz ohne Aluminium kommt das Nockenwellenmodul allerdings nicht aus, betonen die Experten. Deshalb gilt es aber auch als ein gelungenes Beispiel für den Multimaterial-Leichtbau respektive Materialmix. Weil die Steifigkeit der verwendeten Duromere nur ein Viertel des Werkstoffs Aluminium beträgt, wurden die Lagerböcke für die Nockenwelle kräftiger ausgelegt. Zusätzlich läuft die stählerne Nockenwelle nicht direkt in den Lagerböcken, sondern, wie schon erwähnt, in Inserts aus Aluminium. Diese nehmen an den hochbelasteten Stellen der Nockenwellenlager die direkt einwirkenden Kräfte auf, erklären die Projektbeteiligten.

Wettbewerbsvorteile durch leiseren Lauf

Kunststoffe weisen in der Regel ein besseres akustisches Dämpfungsverhalten auf als viele Metalle. Das akustische Verhalten des Nockenwellenmoduls lässt sich deshalb gut optimieren, heißt es. Dies ist ein wichtiger Vorteil für die Automobilhersteller, denn beste NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness) gehören heute zu den eindeutigen Wettbewerbsvorteilen.

Hier die Eigenschaften nochmals im Überblick:

  • Leicht: 0,6 kg Gewichtseinsparung im Vergleich zur konventionellen Bauweise mit Aluminium. Das entspricht rund 20 %;
  • Klimaschonend: Und zwar in mehrfacher Hinsicht von der Herstellung bis zur Nutzung;
  • Günstig: funktionsintegrierte, monolithische Bauweise und ein verbesserter Herstellungsprozess;
  • Leise: Weil Kunststoff verbesserte Geräuschdämpfungseigenschaften hat.

Testergebnisse haben die Einsatztauglichkeit bewiesen

Die Funktionalität des Demonstrators erwies sich nach 600 h Testzeit anhand sogenannter geschleppter Versuche am Motorenprüfstand in einem hochmodernen Otto-Verbrennungsmotor als einwandfrei, kann man weiter erfahren. Mithilfe der anstehenden befeuerten Versuche – also unter den realen Bedingungen eines mit Brennstoffen laufenden Motors – sollen nun die Funktionalität und das NVH-Verhalten unter Berücksichtigung der Gaskräfte des Verbrennungsprozesses untersucht werden.

Der Projektpartner Mahle und die assoziierten Partner Daimler AG, SBHPP/Vyncolit N.V. und Georges Pernoud, seien mit den bisherigen Ergebnissen zufrieden. Eine Übernahme in die Serienfertigung nach erfolgreichen weiteren Tests erscheint deshalb durchaus möglich. Das Projekt wurde außerdem vom BMWi gefördert. MM

(ID:46684239)