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Erste thermoplastische Ölwanne für LKW |
Aus den Tiefen der Anwendungsforschung
Erste thermoplastische Ölwanne für LKW
Ausführungen von Willi Bartholomeyzik, Vertrieb Technische Kunststoffe
22. Juni 2004, Fachpressekonferenz zur K 2004 in Ludwigshafen
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Nach mehr als vierjähriger Entwicklungszeit ging im Herbst 2003 ein Bauteil in Serie, das in Form, Farbe und Funktion recht unspektakulär ist. Was die hohen Anforderungen an den eingesetzten Werkstoff betrifft, stellt es jedoch ein Novum dar. Die Motorölwanne DC BR500 ist die erste Thermoplast-Ölwanne für Nutzfahrzeugmotoren weltweit. Bisherige Serienteile bestanden aus Aluminiumdruckguss oder SMC. Aus diesem Grund verlieh die Society of Plastics Engineers (SPE) dem Entwickler und Hersteller dieses Bauteils, der Kunststofftechnik Sachsen (KTSN), im vergangenen Juli den Grand Innovation Award 2003. Die BASF trug mit dem Kunststoff Ultramid® und der Entwicklungskompetenz in Konstruktion, Simulation und Prüfung zu diesem Erfolg bei (Bild 1).
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Anforderungen
Hauptaufgabe der Ölwanne ist die Aufnahme des Motoröls (etwa 39 Liter) und die sichere Abdichtung des Kurbelraums nach außen. Im speziellen Fall des DC Actros wird der Motor während der Montage und des Transports direkt auf der Ölwanne abgestellt, was an einigen Stellen eine sehr hohe statische Belastung bedeutet. Außerdem sollte das neue Design eine Volumenvergrößerung um etwa 30 Prozent bringen. Diese Änderung war nur durch große Hinterschnitte möglich, die an den Seitenwänden über die vorgegebene Flanschkontur hinausragen.
Zu den technischen und kaufmännischen Randbedingungen für die Entstehung der Actros-Ölwanne gehörten vor allem Reduktion des Gewichts, Optimierung der Geometrie, Absenkung der Schallemission, Sicherstellen der Abdichtfunktion sowie Einhaltung des Kostenrahmens. Welcher Aufwand notwendig war, um diese Aufgaben zu meistern, lassen die folgenden Beispiele aus der Entwicklungs- und Optimierungsphase erahnen.
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Simulationen
Schon in einem frühen Entwicklungsstadium wurden mithilfe von CAE-Methoden verfahrenstechnische und bauteilspezifische, statische und dynamische Simulationsrechnungen durchgeführt.
Ausgehend vom Geometriemodell wurde mithilfe einer Moldflow-Analyse das Füllverhalten simuliert und daraus dann die Glasfaserorientierung und das Verzugsverhalten berechnet. Die Simulation zeigt, dass die beiden Seitenwände deutlich einfallen würden - ein Effekt der auch mit optimierten Prozessparametern (zum Beispiel unterschiedlichen Kerntemperaturen) nicht zu vermeiden ist. Als Reaktion auf dieses Ergebnis wurden im Bauteilinneren zwei Querstreben eingebracht, die die Seitenwände auseinander pressen und so erst eine Verschraubung der Ölwanne am Motorblock ermöglichen. Die Ebenheit des Dichtflansches erschien bei dieser Simulation als unkritisch, was sich später auch am Bauteil bestätigte (Bild 2).
Die Simulation des statischen Druckverhaltens macht sichtbar, wie sich der Boden der Ölwanne förmlich aufblasen würde, wenn von innen ein Überdruck wirkt. Diese Deformation bewirkt große Spannungsspitzen im Randbereich (Scharnier-Effekt), die nur durch eine optimierte Rippenanordnung auf ein verträgliches Maß zu reduzieren sind (Bild 3).
Die größte statische Belastung erfährt die Ölwanne durch das direkte Absetzen der kompletten Einheit aus LKW-Motor und Getriebe (Bild 4). Das System kippt einseitig so ab, dass das gesamte Gewicht von fast zwei Tonnen entlang nur einer Bauteilkante übertragen wird. Die wesentlichen Lasteinleitungsstellen liegen dabei in den steifen Eckbereichen. Erst ein aufgesteckter Gummifuß konnte die Kraftspitzen so flächig verteilen, dass die Belastungswerte innerhalb zulässiger Grenzen bleiben (Bild 5).
Die Berechnung dynamischer Eigenschaften des Bauteils umfasste vor allem die Vorhersage der Schwingungszustände bei verschiedenen Anregungen. Dazu wurden rechnerische Modalanalysen durchgeführt, die zeigen, bei welchen Frequenzen das Bauteil zu Schwingungen angeregt wird.
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Experimentelle Methoden
Mit der experimentellen Modalanalyse wurden die Schwingungszustände der fünf Seitenwände an ersten Bauteilmustern analysiert. Als Musterteile dienten Direktabgüsse der Duroplast-Serienteile, hergestellt aus glasfaserverstärktem Polyamid. Anhand eines zuvor festgelegten Punkterasters wurde durch Anschlagen mit einem Impulshammer eine breitbandige Anregung erzeugt. Ziel dieser Untersuchung ist das Auffinden von Bauteilresonanzen, also die Beschreibung der Lage von Eigenfrequenzen und Eigenformen. Je nach Feinheit des Messrasters sind auf diese Weise auch Schwingungszustände kleinerer Teilflächen identifizierbar (Bild 6).
Nach Umsetzung der ersten Optimierungsschritte in ein seriennahes Bauteil wurde mithilfe der Speckle-Interferometrie das dynamische Bauteilverhalten weiter untersucht und visualisiert. Dieses Messverfahren macht Schwingungszustände von Bauteilen mit laseroptischen Methoden sichtbar. Hierbei wird das Bauteil mit einem regelbaren elektro-dynamischen Shaker in dem zu untersuchenden Frequenzbereich erregt. Die erzeugten Bilder zeigen Schwingungszustände in Richtung des auftreffenden Laserstrahls mit einer Auflösung von 0,25 Mikrometer zwischen zwei Interferenzlinien. Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass sich durch Aufkleben von Rippen das schwingungstechnische und das akustische Bauteilverhalten optimieren lassen (Bild 7).
Dichtheits- und Berstdruckversuche stellen ein zuverlässiges Abdichten des Ölraums nach außen sicher. In einer kundenspezifischen Prüfung, dem „Absetzversuch“, wurde schließlich die Tragfähigkeit des Bauteils beim Abstellen der Motor-Getriebe-Einheit getestet. Ergebnis ist eine Kraft-Verformungs-Kennlinie bis zum Versagen (Bruch) der Ölwanne (Bild 8).
Experimentelle Modalanalyse, Schallintensitätsmessungen, Prüfungen auf dem Motorprüfstand bei DaimlerChrysler, Fahrversuche (Vorbeifahrtest zur Ermittlung der Schallemissionen), Steinschlagtest, statische und dynamische Berstdruckprüfungen an der fertigen Ölwanne bestätigten die Vorausberechnungen. Die Bauteilmuster wurden in allen Entwicklungsphasen gemeinsam mit dem Kunden und dem Automobilhersteller hinsichtlich der geforderten Eigenschaften geprüft und bewertet.
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