Motorenkonstrukteure sollten sich von ihrer Vorstellung verabschieden, dass nur eine geschmiedete Kurbelwelle eine Hochleistungskurbelwelle ist. Denn hierfür wurde ein neuer Sphäroguss-Werkstoff entwickelt, mit dem gegossene Kurbelwellen nahezu die gleichen Festigkeitseigenschaften erreichen wie geschmiedete Wellen.
Gegossene Kurbelwellen sind erheblich kostengünstiger und etwa 10 % leichter als geschmiedete, wesentlich maßhaltiger und erfordern nur wenig Nacharbeit. Damit sind sie bei Motoren mit moderaten Festigkeitsansprüchen erste Wahl. Bei höheren Anforderungen an die Schwingfestigkeit und den E-Modul greifen die Motorenhersteller bisher auf geschmiedete Kurbelwellen zurück, mussten dafür aber höhere Kosten in Kauf nehmen. Neue Techniken wie etwa Dieselmotoren mit direkter Einspritzung und Aufladung forcierten diese Entwicklung.
Zielkonflikt gelöst
Die neuen Kurbelwellen von GF Automotive dagegen lösen diesen Zielkonflikt – mit einer Festigkeit fast wie geschmiedete Wellen und den günstigen Eigenschaften eines gegossenen Bauteils. „Sibodur“ wurde aus Gusseisen mit Kugelgraphit entwickelt. Entstanden ist eine Werkstoff-Familie mit verschiedenen Werkstoffsorten. Im Vergleich zum Ausgangsmaterial hat Sibodur noch bessere Eigenschaften bei Dehnung, Zugfestigkeit und Schwingfestigkeit bei gleichem E-Modul. Durch Variation der Zuschläge lassen sich die Werkstoffeigenschaften den Anforderungen anpassen. Zum Beispiel eine höhere Festigkeit bei gleicher Duktilität oder eine höhere Duktilität bei gleicher Festigkeit. GF Automotive liefert bereits zahlreiche Bauteile aus Sibodur an verschiedene Automobilhersteller. Dazu gehören zum Beispiel Querlenker, Radträger oder Dämpferstützen. Der für Kurbelwellen geeignete Werkstoff Sibodur 700–10 hat eine Dehngrenze von mindestens 440 MPa, eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa und eine Bruchdehnung von 10 %. Partielles Rollieren steigert seine Dauerfestigkeit.
Eine versuchsweise gegossene Kurbelwelle aus höherfestem Sibodur für einen weit verbreiteten Dieselmotor mit 1,9 l Hubraum erreicht nach dem Rollieren eine annähernd so hohe Dauerschwingfestigkeit wie sein geschmiedetes Pendant, etwa 1 870 Nm.
Der Automobilhersteller profitiert davon mehrfach. Er kann jetzt einen Grundmotor mit mehreren Leistungsstufen nur noch mit einer und zudem kostengünstigeren Kurbelwelle planen. Die Notwendigkeit, für stärker motorisierte Varianten geschmiedete Wellen vorzusehen, entfällt.
Unterstützung bereits in der Prototypenphase
Will der Konstrukteur die Vorteile einer gegossenen Kurbelwelle aus Sibodur nutzen, sollte er möglichst frühzeitig die Möglichkeiten des neuen Werkstoffs in seine Überlegungen einbeziehen. GF Automotive berät und unterstützt ihn dabei bereits in der Prototypenphase. Etwa durch die Auslegung der Kurbelwelle mit leistungsfähigen FEM- und Mehrkörper-Simula- tionsprogrammen oder mit Versuchen zur Dauerfestigkeit. Zudem werden Dynamik- und Akustikanalysen durchgeführt, der Schmierfilm abgebildet und ein instationärer Motorhochlauf simuliert. Abschließend erfolgt eine Lebensdauervorhersage auf Basis der Spannungsverteilungen und einer FEM-Analyse.
Mit ersten Serien-Kurbelwellen aus Sibodur ist noch im Jahr 2008 zu rechnen. Und das Entwicklungspotenzial der Werkstoff-Familie ist noch lange nicht ausgeschöpft. Längst forscht GF Automotive an einem Werkstoff mit noch höheren Festigkeitswerten bei reduzierter Bruchdehnung, um weitere Anwendungsmöglichkeiten zu eröffnen.
Georg Fischer;
Telefon: 0041/52/6312-0;
E-Mail: markus.sauter@georgfischer.com
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