Magnesium im Motorenbau – Meilenstein im Triebwerk-Leichtbau

Mit seinem neuen Reihensechszylinder-Triebwerk R6 hat BMW das Konzept der effizienten Dynamik auf höchstem technischem Niveau verwirklicht: Der R6-Ottomotor ist stärker, sparsamer und leichter als das bisherige Triebwerk. Innovative Werkstoffe, Systeme und Anbauteile machen ihn zum Hightech- und Hochleistungstriebwerk.

Das Kurbelgehäuse des neuen Triebwerks ist das mit Abstand leichteste Sechszylinder-Kurbelgehäuse aus Großserienproduktion weltweit. Es wiegt nur 57 Prozent eines vergleichbaren Grauguss-Blocks und 24 Prozent weniger als ein Aluminium-Kurbelgehäuse. Erstmals setzt BMW im Motorenbau Magnesium in der Großserienfertigung eines wassergekühlten Kurbelgehäuses ein, außerdem für das neue Bedplate und für die Zylinderkopfhaube. Die damit und mit zahlreichen weiteren Maßnahmen erzielte Reduktion des Motorgewichts um 7 Prozent (10 kg) leistet den wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Agilität und Dynamik von BMW-Automobilen.

Der außerordentliche Gewichtsvorteil durch die Verwendung von Magnesium ist in der Dichte des innovativen Werkstoffs begründet: Magnesium ist mit 1,81 g/cm3 in reiner Form etwa 30 Prozent leichter als Aluminium (2,68 g/cm3, Stahl 7,87 g/cm3).

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Schematische Darstellung des Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuses des neuen BMW-Reihensechszylinder-Ottomotors. (Foto: BMW)

Der revolutionäre Einsatz der Magnesium-Aluminium-Verbundtechnologie stellt einen Meilenstein im Motorenbau dar. Als Einzelbauteil des Motors leistet das Magnesium-Aluminium-Verbund-Kurbelgehäuse den wichtigsten Beitrag zur Gewichtsreduktion des R6. Ein Kurbelgehäuse, das ausschließlich aus reinem Magnesium oder einer konventionellen Magnesiumlegierung besteht, ist nach den Angaben der BMW-Experten für den Serieneinsatz bei Hochleistungsmotoren nicht geeignet: Die Stabilität ist zu gering, zudem ist die Oberflächenbeschaffenheit von Magnesium für Zylinderlaufflächen ungeeignet.
Der neue Reihensechszylinder-Ottomotor feierte im Herbst 2004 sein Debüt im BMW 6er Coupé und Cabrio. Er soll in absehbarer Zeit in fast allen BMW-Fahrzeugen zum Einsatz kommen.

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BMW-Werk Landshut: Automatische Entnahme des Verbund-Kurbelgehäuses aus der Druckgießmaschine. (Foto: BMW)

Al-Insert innen, Mg-Gehäuse außen

Der innere Teil des Kurbelgehäuses im R6, das Insert aus Aluminium, umfasst die Zylinderlaufbuchsen und die Kühlmittelführung im Bereich des Motorblocks. Das Insert sorgt für die erforderliche Stabilität bei den hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Direkt auf das Insert aufgeschraubt wird der Zylinderkopf, der untere Bereich des Inserts ist als Oberteil der Kurbelwellenlagerung ausgebildet.

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BMW-Werk Landshut: Aluminium-Insert im Druckguss-Werkzeug. (Foto: BMW)

Das Insert wird über die gesamte Bauhöhe fugendicht vom Magnesiumgehäuse umschlossen. Dieses besteht aus einem einzigen Umgussteil und nimmt die Ölführung sowie die meisten Aufnahmen und Halterungen für die Nebenaggregate auf. Dadurch reduzieren sich die Zahl der Teile, das Gewicht und der entsprechende Montageaufwand in diesen Bereichen. Gleichzeitig führt die Integration der Aufnahmen und Halterungen zu einer erhöhten Steifigkeit der Nebenaggregate-Anbindung. Das wiederum bedeutet akustische Vorteile für das Gehäuse insgesamt und bei den Anbindungen der Nebenaggregate insgesamt.

Mg-Bedplate als tragende Konstruktion

Das Bedplate aus Magnesium ist Bestandteil der zentralen Rahmenstruktur des neuen R6. Es ist daher vergleichsweise massiv und ebenfalls als Werkstoffverbund ausgeführt. Das Bedplate gewährleistet höchste Struktur- und Torsionssteifigkeit ebenso wie Dauerfestigkeit der R6-Motorkonstruktion. Durch die Teilung und Verschraubung des Kurbelgehäuses auf der Kurbelwellenlagerebene werden hier Schwingungen ideal abgefangen und dadurch auch Vorteile in der Akustik erzielt. Auf dem Bedplate wird von oben das Kurbelgehäuse mit dem oberen Teil der Kurbelwellenlager aufgesetzt. Das untere Gegenstück der Kurbelwellenlager ist im Bedplate integriert. Die Kurbelwelle läuft auf Sinterstahl-Einlegern, die mit Magnesium umgossen werden. Die Verschraubung der Motortrageblöcke geht in das Bedplate und in das Kurbelgehäuse.

In konsequenter Weiterverfolgung des Leichtbaus wird beim R6 auch die Abdeckhaube des Zylinderkopfs aus Magnesium gefertigt.

BMW hat die chemische Unverträglichkeit von Magnesium und Wasser erfolgreich bewältigt: Das Kühlwasser kommt mit dem Magnesium-Mantel des Kurbelgehäuses nicht in Berührung, es wird ausschließlich im Aluminium-Insert geführt.
Für Verschraubungen in die Magnesium-Bauteile werden spezielle Aluminium-Schrauben verwendet, weil Magnesium und Aluminium ähnliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aluminium-Schrauben sind zudem ein weiterer Mosaikstein bei der umfassenden Gewichtsreduzierung des Triebwerks. Das ähnliche Verhalten von Magnesium und Aluminium im Bereich des Schmelzpunkts ist auch beim Umgießen des Aluminium-Inserts mit Magnesium ein wichtiger Qualitätsfaktor.

Neue Mg-Legierung

Um die einzigartigen Eigenschaften, die der Werkstoff Magnesium in das neue BMW-Hightech-Triebwerk einbringt, auch in der Großserie einsetzen zu können, investierte BMW jahrelang in Forschung und Entwicklung. Nach intensiver Grundlagenforschung wurde in enger Zusammenarbeit zwischen Werkstoffspezialisten, der Motorentwicklung, der Leichtmetallgießerei im BMW-Werk Landshut und den Werkstoff-Lieferanten eine Magnesium-Legierung entwickelt, die den spezifischen Anforderungen für den Kurbelgehäuse-Einsatz gerecht wird. Damit wurden Einsatzgrenzen für den Werkstoff neu definiert und völlig neue Anwendungsgebiete erschlossen.

Bei der Werkstoffentwicklung standen Kriechfestigkeit, thermische und mechanische Belastbarkeit, aber auch das Gießverhalten im Vordergrund. Gleichzeitig wurde im Druckguss-Technikum des BMW-Werks Landshut die erforderliche Verfahrenskompetenz abgesichert. Das notwendige Know-how für diese Werkstoff- und Verfahrensentwicklung sowie die Prozessbeherrschung entwickelten die Spezialisten der BMW Group selbst.

Beeindruckende Fertigungstechnologie

Die Leichtmetallgießerei im BMW-Werk Landshut stand beim Verbund-Kurbelgehäuse verfahrenstechnisch vor großen Herausforderungen. Vor allem die Beherrschung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Aluminium und Magnesium erfordert viel technologisches Verständnis und die gesamte Erfahrung der Gießereispezialisten.

Bei dem neu entwickelten Druckgießverfahren schrumpft der Magnesium-Mantel beim Abkühlen auf das Aluminium-Insert auf. Gleichzeitig ist der Kern durch formschlüssige Rippen dauerhaft im Aluminium-Mantel verankert. Wegen der ähnlichen Erstarrungsintervalle von Aluminium und Magnesium bei einer Temperatur zwischen 500 und 600 °C ist für den eigentlichen Gießprozess ein sehr aufwändiges Temperatur-Management zur punktgenauen Aufheizung und Kühlung von Werkzeug und Einlegeteil erforderlich.

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Motormontage im BMW-Motorenwerk Steyr: Einsetzen der Kolben. (Foto: BMW)

In dem automatischen Fertigungsprozess wird zunächst ein Trennmittel auf die zweiteilige, fast 60 t schwere Werkzeugform in der Druckgießmaschine aufgebracht. Dann wird das Aluminium-Insert eingelegt und die Form geschlossen. Schließlich presst die echtzeitgeregelte Anlage das rund 700 °C heiße flüssige Magnesium mit einem Druck von fast 1000 bar in nur 6/100 s in den verbliebenen Hohlraum der Werkzeugform. Dabei werden die beiden Werkzeugteile mit einer Kraft von entsprechend rund 4000 t zusammengehalten. Innerhalb von 10 s ist das Metall erstarrt, die beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand anfallende Schrumpfung des Magnesium-Mantels führt zu einer schlüssigen Verbindung mit dem Aluminium-Insert. Nach nur 20 s wird das Gehäuse von einem Roboter aus der Gussform entnommen und nach dem Entfernen des Angusses einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen, um innere Spannungen abzubauen.

Auch bei der Prüftechnologie für das Verbundkurbelgehäuse haben die Gießereispezialisten Neuland betreten. So wird beispielsweise die optimale Magnesium-Aluminium-Verbindung mit einem speziell weiterentwickelten Verfahren aus der Luft- und Raumfahrt geprüft, das hier erstmals in einer Serienfertigung zum Einsatz kommt. Bei der zerstörungsfreien Ultraschall-Lockin-Thermographie wird das Kurbelgehäuse durch einen Impulsgeber mit Ultraschallwellen angeregt und dabei das thermische Verhalten der Verbindungsflächen zwischen den beiden Werkstoffen mit einer hochsensiblen Wärmebildkamera aufgezeichnet und automatisch ausgewertet.

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BMW-Motorenwerk Steyr: Qualitätssicherung der Verbund-Kurbelgehäuse. (Foto: BMW)

Für die Fertigung des VerbundKurbelgehäuses hat die BMW Group die Leichtmetallgießerei im Werk Landshut mit Investitionen von über 100 Mill. Euro um einen mehr als 10000 m2 großen Neubau erweitert. In insgesamt sechs hochautomatisierten Fertigungszellen mit den derzeit leistungsstärksten Druckgießmaschinen wird das Verbund-Kurbelgehäuse gefertigt. Die Gießerei ist damit eine der modernsten und größten Magnesiumgießereien weltweit.

Weder in der Gießerei noch bei der anschließenden mechanischen Bearbeitung der Werkstoffkombinationen sind im Vergleich zu Vollaluminium-Bauteilen signifikante Änderungen im Fertigungsprozess notwendig, denn Magnesium lässt sich mechanisch gut bearbeiten.

VDI-Tagung „Gießtechnik im Motorenbau“
Die VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik veranstaltete im Februar 2005 in Magdeburg ihre 3. Tagung „Gießtechnik im Motorenbau“. Bei dieser mittlerweile zum Branchentreff etablierten und alle zwei Jahre stattfindenden Tagung haben Vertreter aller relevanten OEMs, Zulieferunternehmen, Ingenieurbüros und Institute am Vortrags- und Diskussionsforum teilgenommen. Neben der BMW-Entwicklung wurden ähnliche Arbeiten von Audi und AVL-List,Graz, vorgestellt und in zahlreichen weiteren Beiträgen aus Praxis und Forschung der aktuelle Stand sowie die Trends der Gießtechnik im Motorenbau umrissen. Einen kurzgefassten Überblick über den Inhalt aller Beiträge der Tagung enthält die Rubrik „VDI-W-Nachrichten“ im Fachteil „Ingenieur-Werkstoffe“ der VDI-Zeitschrift „Konstruktion“, Ausgabe 3/2005. Alle Beiträge der 3. Tagung „Gießtechnik im Motorenbau“, die von der VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik VDI-W am 1. und 2. Februar 2005 in Magdeburg veranstaltet wurde, sind enthalten im VDI-Bericht 1830, der über den VDI-Verlag in Düsseldorf zu beziehen ist: Tel. 0211/6188-445, E-Mail: wbittner@vdi-nachrichten.de.

Schlagworte: Guss, Leichtbau, Gießen


Quelle: BMW AG

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