Konzeption, werkstoffgerechte Gestaltung und Festigkeitsnachweis für ein Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse

Conception, material-just design and durability verification of a magnesium-hybrid cylinder crankcase

  • Im Hinblick auf die Gewichtsreduktion am Gesamtfahrzeug zur Verbesserung der Fahrdy-namik und zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs wurde ein Vierzylinder-Kurbelgehäuse auf Basis des leichten Konstruktionswerkstoffs Magnesium konzipiert und konstruiert. Unter der Zielvorgabe einer spezifischen Leistung von mindestens 65 kW/l lag der Fokus auf einer zum Serienmotor mindestens gleichwertigen Belastbarkeit und Akustik und auf der Behebung der Kriech- und Korrosionsproblematik von Magnesium. Durch die Kombination verschiedener Leichtbauprinzipien wie Konzept-, Gestalt- und Ver-bundleichtbau, ist es mittels lokalem Werkstoffengineering gelungen, die Nachteile des Mag-nesiums zu kompensieren und seine Vorteile bestmöglich zu nutzen. Das Ergebnis ist ein zur Aluminiumbasis um ca. 6,5kg und zur Graugussbasis um ca. 23kg leichteres Magnesi-um-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse. Die short-skirt Bauweise in Verbindung mit einem zur Ölwanne nahezu komplett geschlossenen Bedplate ergibt ein hochsteifes Kurbelgehäuse mit einer im Vergleich zum Serien-Aluminium-ZKG höheren Belastbarkeit. Das flexible Kurbel-gehäusekonzept ermöglicht es ausserdem, auf Basis des für Magnesium sehr wirtschaftli-chen Druckgussverfahrens, Zylinderkurbelgehäuse sowohl in open-deck als auch in closed-deck-Bauweise herzustellen. Kernstück des neuen Motorblocks ist ein multifunktionaler, 3,8kg leichter Zylindereinsatz aus Aluminium, der die Funktion der Zylinderlaufbahn, der Zylinderkopf- und Hauptlagerver-schraubung sowie der Kühlwasserführung übernimmt. Zur Verbesserung der Verbundeigen-schaften zwischen dem Zylindereinsatz und dem umgebenden Magnesium wurden umfang-reiche Gießversuche und metallographische Untersuchungen durchgeführt. Eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte AlSi12-Beschichtung erzielte schließlich die besten Ergebnisse in Bezug auf ertragbare Zug- und Schubbelastungen in der Verbundzone. Zur Absicherung des Herstellungsprozesses wurden mit der Finite Elemente Methode ver-schiedene Abstützvarianten des closed-deck-Zylindereinsatzes für das prozesssichere Ein-gießen im Druckguss untersucht. Die Befüllung des Einsatzes mit Sand erwies sich dabei als die robusteste Lösung und wurde später in den Gießversuchen umgesetzt. Der Festigkeitsnachweis für das Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse wurde mit Hilfe der Finite Elemente Methode unter Einbeziehung der Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sowie unter Berücksichtigung nichtlinearer Werkstoffkennwerte und der Kriechproblematik von Magnesium erbracht. Ausgangspunkt für den Festigkeitsnachweis waren Eigenspannungsberechnungen, die das Abkühlen der Gussteile aus der Gießhitze, eine Warmauslagerung und die Bearbeitung der wichtigsten Funktionsflächen beinhaltete. Der Nachweis für die Dauerhaltbarkeit der Lagerstühle des Kurbelgehäuses wurde erbracht. Parameterstudien zeigten dabei einen positiven Einfluss der Eigenspannungen und eine geringe Sensitivität der Konstruktion in Bezug auf Reibungsvariationen zwischen Umguss und Eingussteilen. Kriechdehnungen im Bereich der Hauptlagerverschraubungen führten allerdings bei Verwendung der Standard Magnesiumlegierung AZ91 nach 500 Stunden bei 150°C zu einem Abfall der Schraubenvorspannkräfte um bis zu 75%. Es konnte gezeigt wer-den, dass dieses Problem bei Verwendung von kriechfesteren Legierungen (z.B. MRI 153M) mit ca. 10-20fach besserer Kriechfestigkeit bzw. Relaxationsbeständigkeit behoben werden kann. Der rechnerisch erbrachte Nachweis für die Dauerhaltbarkeit des Zylinderkurbelgehäuses konnte kurz vor Fertigstellung dieser Arbeit in einem Motorversuch (Polyzyklischer Dauer-lauf, 100h) bestätigt werden. Der Motor zeigte nach Ende der Laufzeit keine Auffälligkeiten und konnte weiter betrieben werden.
  • With regard to the weight reduction at the entire vehicle for the improvement of the driving dynamics and for the reduction of the fuel consumption, a four-cylinder crank case was de-signed on the basis of the light metal magnesium. Under the target of a specific power output of at least 65 kW/l, the focus laid on a strength durability and acoustic quality at least equiva-lent to serial engines. Furthermore, the intention was the elimination of the crawling and cor-rosion problems of magnesium. Through the combination of different lightweight construction principles like concept-, shape- and compound-leightweight construction and the use of local material engineering the advan-tages of magnesium could be used in the best possible way. The result is a so called mag-nesium hybrid engine block which is about 6.5kg lighter than an aluminum block and about 23 kg lighter then a grey cast iron block. The short-skirt design in connection with a nearly closed Bedplate turns out a very stiff crank case with an even higher strength durability than the original aluminium crank case. The flexible block concept makes it possible to use the highly economic high pressure die casting process for either crank cases in open-deck or closed-deck design. The main item of the new engine block is a multi-functional aluminium cylinder insert, which weighs only about 3.8kg and incorporates the functions of the cylinder liners, the cylinder head and mainbearing mounts as well as the cooling jacket. For the improvement of the compound properties between the aluminium cylinder insert and the surrounding magne-sium, extended experiments and metallographic investigations were carried out. A thin layer of an AlSi12-alloy applied by plasma coating finally achieved the best results with respect to the maximum withstandable tensile and shear loads in the compound zone. To ensure the incasting process of the closed-deck cylinder insert during high pressure die casting (danger of collapsing water jackets), different supporting systems of the water jacket were examined by finite element analysis. The best results were finally generated by filling the water jacket of the cylinder insert with sand before casting it in. This technique was turned over later in the casting-experiments. The durability analysis of the magnesium hybrid cylinder crankcase was done with the finite element method under inclusion of the results of the metallographic investigations as well as considering non-linear material properties and the crawling-behaviour of magnesium. Before, residual stress calculations were done, considering the cooling down of the castings, a heat treatment and the machining of the most important functional faces. These residual stress results served as starting conditions for the durability analysis. Parameter studies during the durability analysis of the main bearing panels showed a posi-tive influence of the residual stresses at high temperatures and a small sensitivity with re-spect to friction variation between the inserts and the surrounding magnesium. By using standard magnesium alloys like AZ91, after 500 hours at 150°C, creep strains in the main bearing area lead to bolt pretension losses up to 75 %. It was shown, that this problem can be solved by the use of newly developed creep resistant magnesium alloys (for example MRI 153M). The creep resistance and relaxation performance of these alloys is about 10 to 20 times higher than that of conventional magnesium materials. The durability of the magnesium hybrid engine block could be confirmed shortly before finish-ing this thesis in a first engine experiment (polycyclic endurance test, 100h). The engine did not show any conspicuousness and could be reassembled again in order to keep on running.
Metadaten
Author:Joachim Doerr
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18507
Advisor:Rudolf Flierl
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2004
Year of Publication:2004
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/04/06
Tag:aluminum; combustion engine; compound casting; crank case; cylinder block; finite element method; lightweight design; magnesium
GND-Keyword:Aluminium; Finite-Elemente-Methode; Kurbelgehäuse; Leichtbau; Magnesium; Verbrennungsmotor; Verbundguss ; Zylinderblock
Note:
"Magnesium-Hybrid-Turbomotor von Audi" in: MTZ 4/2005
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:600 Technik, Technologie

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