Nockenwellen-Modul aus Kunststoff

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Fraunhofer-ICT entwickelt ein Nockenwellen-Modul aus faserverstärkten Duroplast. Bislang werden solche Module aus Aluminium gefertigt.

Nockenwellen-Module als ein wichtiger Bestandteil des Antriebsstrangs im Automobil. Einem Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT ist es jetzt gemeinsam mit Partnern gelungen, ein Nockenwellen-Modul aus faserverstärkten Duromeren herzustellen. Bis dato werden diese noch immer aus Aluminium gefertigt Das Leichtbau-Element senkt Motorgewichts und Montagekosten. Es liegt derzeit als funktionsfähiger Demonstrator vor.

Nockenwellen-Modul als Leichtbau-Modul

Nockenwellen sorgen im Verbrennungsmotor dafür, dass sich die Ladungswechselventile zuverlässig und präzise öffnen und schließen. Die Nockenwellen sind in einem Modul gelagert, das heute noch aus Aluminium gefertigt wird. Das Fraunhofer ICT in Pfinztal unterstützt den automobilen Leichtbau jetzt mit einem neu entwickelten Nockenwellen-Modul aus Kunststoff. Das Leichtbau-Modul wurde gemeinsam mit dem Mahle Konzern und den assoziierten Partnern Daimler, SBHPP/Vyncolit und Georges Pernoud realisiert. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi fördert das Projekt.

Hochfester, faserverstärkter Duroplast

Bei der Wahl des Kunststoffs setzen die Projektpartner auf hochfeste, faserverstärkte Duromere, da sie hohen Temperaturen, mechanischen und chemischen Belastungen, wie sie etwa durch synthetische Motoröle und Kühlmittel verursacht werden, sehr gut standhalten. „Wir steuern das Know-how bei, wie man die Geometrien des Bauteils material- und prozessgerecht gestalten muss, damit sie alle Anforderungen erfüllen“, sagt Thomas Sorg, Wissenschaftler am Fraunhofer ICT. „Das Nockenwellen-Modul befindet sich im Zylinderkopf, also in der Regel im oberen Bauraum des Antriebsstrangs. Hier ist es besonders sinnvoll, Gewicht zu reduzieren, da es eine Absenkung des Fahrzeugschwerpunkts ermöglicht.“

Kosten und CO2-Emissionen senken

Gussteile aus Aluminium müssen nach dem Vergießen aufwändig nachbearbeitet werden, dadurch entstehen hohe Kosten. Die Nachbearbeitung von faserverstärkten Duroplasten ist vergleichsweise gering, sie lassen sich endkonturnah herstellen, was mit niedrigeren Kosten bei der Produktion einhergeht.

Auch die Lebensdauer von Duroplast-Spritzgusswerkzeugen ist – bei bis zu 500.000 Stück – wesentlich höher im Vergleich zu Aluminium-Hochdruck-Gusswerkzeugen. Darüber hinaus weisen mit hohem Faseranteil verstärkte Kunststoffe gegenüber Aluminium einen deutlich geringeren CO2-Footprint auf, da das Leichtmetall in der Herstellung sehr energieintensiv ist.

Ein weiterer Vorteil: Automobilhersteller sind bestrebt, Geräusche zu minimieren. Die NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness) – eine Kombination von Geräusch, Vibration und Rauheit – stehen weit oben auf der Liste der Faktoren, die zur Beurteilung der Fahrzeugqualität herangezogen werden. Kunststoffe weisen ein gutes Dämpfungsverhalten auf. „Insofern lässt sich das akustische Verhalten des Nockenwellen-Moduls sehr gut optimieren“, so Sorg.

Nockenwellen-Modul aus einem Guss

Das Nockenwellen-Modul ist durch eine monolithische Bauweise mit integrierten Lagern gekennzeichnet, das heißt, es wird aus einem Guss gefertigt. Dadurch verringert sich der Montageaufwand im Motorenwerk.

Das Nockenwellen-Modul ist durch eine monolithische Bauweise mit integrierten Lagern gekennzeichnet. Foto: Fraunhofer ICT

Der Fahrzeughersteller bekommt das Modul vorkonfektioniert vom Zulieferer und kann es mit wenigen Handgriffen auf den Motor montieren. Die eigenständige zeitaufwändige Installation des Bauteils entfällt. Ein zusätzliches Plus der Lösung: Inserts aus Aluminium an den hochbelasteten Stellen der Nockenwellenlager nehmen die direkten Kräfte auf.

600 Teststunden am Motorenprüfstand

Während erster Tests am Motorenprüfstand konnten Sorg und seine Kollegen ein positives Laufverhalten beobachten. Auch eine Gewichtseinsparung gegenüber dem Referenzbauteil aus Aluminium ließ sich nachweisen. „Wir können das Nockenwellen-Modul aus duroplastischem Werkstoff deutlich leichter fertigen als das Pendant aus Leichtmetall und dabei sogar wirtschaftlich im Spritzgießverfahren produzieren“, betont der Ingenieur.

Simulationsrechnungen unterstützen die Auslegung und Absicherung des Prototyps bevor der Herstellungsprozess startet. „Obwohl die Steifigkeit des Duroplasts nur ein Viertel des Aluminiums beträgt, ist es uns durch konstruktive Maßnahmen gelungen, die maximal zulässigen Verformungen einzuhalten“.

Die Funktionalität des Leichtbauelements erwies sich nach 600 Stunden sogenannter geschleppter Versuche am Motorenprüfstand in einem hochmodernen Otto-Verbrennungsmotor als einwandfrei. Mithilfe der anstehenden sogenannten befeuerten Versuche wollen die Projektpartner die Funktionalität und das NVH-Verhalten unter Berücksichtigung der Gaskräfte des Verbrennungsprozesses belegen.

mg

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