Optimierte Magnesiumdruckgussteile reduzieren die Masse des V8-Saugmotors des Porsche Panamera

Runter mit den Kilos

Die Magnesiumlegierung sowie die durch ihre Verwendung möglichen Geometrien sorgen bei diesem Steuerkastendeckel für eine Massenreduktion von 3,89 auf 2,07 kg (-47 %) Bei diesem Ölführungsgehäuse sinkt die Masse durch den Einsatz von Magnesium von 5,6 auf 3,51 kg (-37 %)
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Porsche gelang es, die Zylinderkopfhauben, den Steuerkastendeckel und das Ölführungsmodul von Aluminium auf Magnesium umstellen. Damit konnte die Gesamtmasse dieser Bauteile von 14,8 auf 8,53 Kilogramm reduziert werden. Allein das reduziert die Masse des V8-Saugmotors um mehr als die Hälfte.

Der Autor Klaus Decking ist Produkt Segment Manager Antrieb, Georg Fischer Automotive AG, Schaffhausen

Um die Effizienz von Verbrennungsmotoren weiter zu verbessern, arbeitet die Automobilindustrie in zwei Richtungen: Einerseits wird durch weiterentwickelte Verbrennungstechniken die Effizienz der Motoren direkt gesteigert; andererseits wird nach Gewichtseinsparungen am kompletten Fahrzeug gesucht, um den Kraftstoffverbrauch indirekt zu senken. Dabei werden auch die Potenziale von Magnesium untersucht und umgesetzt.
Magnesium: Pro und contra
Zu den attraktiven Eigenschaften von Magnesiumlegierungen gehören neben der geringen Dichte vor allem die mechanischen Eigenschaften sowie eine gute und kostengünstige Gießbarkeit selbst komplexer Bauteile in Druckguss. Zudem sprechen die Abschirmwirkung gegen elektromagnetische Strahlung, gute Dämpfungseigenschaften und eine gute Bearbeitbarkeit für das Material. Hinzu kommt, dass Lebenszyklus-Untersuchungen dem Werkstoff im Vergleich zu anderen Metallen eine sehr gute Klimabilanz bescheinigen. Und da Magnesium mit einem Massenanteil von 2,77 % in der oberen Erdschicht und 0,13 % in den Weltmeeren sehr häufig vorkommt, scheint seine Verfügbarkeit langfristig gesichert.
Nachteilig sind allerdings die Neigung zu Korrosion, eine (Kriech-)festigkeit, die bei Temperaturen über 120 °C stark abnimmt, sowie die im Vergleich zu anderen geläufigen Metallen im Automobilbau hohe Reaktivität. Die Korrosion lässt sich durch Oberflächenbehandlungen, Beschichten und innovative Fügekonzepte jedoch stark reduzieren. Der abnehmenden Kriechfestigkeit und weiteren kritischen Eigenschaften wie Hochtemperaturbeständigkeit, oder Kerbempfindlichkeit begegnet man mit Magnesiumlegierungen, deren Zuschläge dem gezielt entgegenwirken. Weitere Entwicklungsrichtungen sind Magnesium-Schäume sowie keramikfaser- und partikelverstärkte Verbundwerkstoffe. Der im Vergleich zu Eisen oder Aluminium höheren Reaktivität von Magnesium begegnet man mit Sicherheitskonzepten und Schutzmaßnahmen beim Schmelzen, Gießen oder Zerspanen. So ist die einst gefürchtete Selbstentzündung heute weitestgehend eingedämmt.
Zylinderkopfhauben für Porsche Panamera
Für die V6- und V8-Motoren des Porsche Panamera liefert Georg Fischer anspruchsvolle Druckguss-Bauteile aus Magnesium: die beiden Zylinderkopfhauben, den Steuerkastendeckel und das Ölführungsmodul unterhalb des Motorblocks. Alle vier Bauteile lösen Aluminiumkomponenten ab und bestehen aus der Magnesiumlegierung AE44. Diese enthält neben 4 % Aluminium auch etwa 4 % eines Mischmetalls, das aus vier Elementen der Seltenen Erden besteht. Den größten Anteil daran nimmt Cer mit etwa 45 % ein, weitere Bestandteile sind Lanthan (20 bis 35 %), Neodym (7 bis 20 %) und Praseodym (2 bis 10 %).
Bei den Zylinderkopfhauben setzte sich Porsche nicht nur den Umstieg von Aluminium auf Magnesium zum Ziel, sondern forderte auch Wandstärkenreduzierungen. Dies ist mit einem Rückgang der Bauteilmassen von 2,87 (Zylinder 1 bis 4) und 2,44 kg (Zylinder 5 bis 8) auf nur noch 1,6 respektive 1,35 kg gelungen. Insgesamt hat Georg Fischer die Wandstärken nochmals um etwa 0,2 bis 0,3 mm und so die Bauteilmassen um 44 beziehungsweise 45 % reduziert. Die Wandstärkenreduzierung konnte weitgehend optimiert werden, da beide Bauteile keine besonders hohen Festigkeitsanforderungen erfüllen müssen. Nur an den Aufnahmepunkten der Motor-Drehmomentstütze erfolgte keine Wandstärkenreduzierung.
Eine weitere Forderung war die Integration eines Ölabscheidesystems in die Zylinderkopfhauben. Eine Verschraubung der Bauteile wird als kritisch erachtet, da eine eventuell durch Vibrationen gelöste Schraube auf die Nockenwellen fallen und damit einen kapitalen Motorschaden verursachen könnte. Porsche und Georg Fischer haben daher eine Lösung mit Clipsen und Klebeverbindungen entwickelt: Die Ölabscheidekomponente besteht aus der Magnesiumlegierung AM50. Ihre elastischen Clipse rasten an Hinterschnitten der Zylinderkopfhauben ein. Zusätzlich ist das Bauteil mit Silikon angeklebt.
Da Porsche die Zylinderkopfhauben als Sichtflächen definiert, werden sie zusätzlich noch beschichtet. Die Beschichtung fungiert gleichzeitig als Korrosionsschutz für die Magne- siumlegierung. Lokale Schwachstellen der Beschichtung, an denen am ehesten Korrosion auftritt, lassen sich durch Abrunden von Bauteilkanten mit großzügigeren Radien vermeiden. Kontaktkorrosion wird durch die ausschließliche Verwendung von Aluminium-schrauben unterbunden. Wo keine Verschraubungen erforderlich sind, kommen Kunststoffclips zum Einsatz. Deutlich aufwändiger ist die Korrosionsvermeidung an scharfen Bauteilkanten, da sich am Versatz zwischen scharfer Kante und einem anderen Bauteil leicht Kondensat ansammeln und Korrosion auslösen kann.
Gießtechnisch stellt die Magnesiumlegierung AE44 zwei Herausforderungen: Zunächst muss sie bei hohen Temperaturen, kurz unterhalb ihrer Brandgrenze, vergossen werden. Um das Brand- beziehungsweise Explosionspotenzial sicher kontrollieren zu können, ist der Einsatz von Schutzgasen und deren genaue Komposi- tion sehr diffizil. Dies wurde gelöst durch zahlreiche Gießversuche und die akribische Optimierung wichtiger Parameter, etwa Gießgeschwindigkeit, Füllzeiten und Gießtemperatur.
Zweite Herausforderung war die im Vergleich zu Aluminium verstärkte Neigung zur Lunkerausbildung. Da die Erstarrungslunker sich nicht regelmäßig ausbilden, sind Risse an der Bauteiloberfläche nicht auszuschließen, die wiederum Ölleckage und Korrosion zur Folge haben können. Georg Fischer konnte die Lunkerbildung durch eine aufwändige Entfeinerung der Bauteile auf ein tolerierbares Mindestmaß minimieren.
Steuerkastendeckel und Ölführungsmodul
Der Steuerkastendeckel der V6/V8-Motoren des Panameras basiert weitgehend auf dem Aluminiumbauteil des V6/V8-Basismotors im Porsche Cayenne. Die einzige Geometrieoptimierung betrifft die Befestigung der Spannrolle für die Verstelleinheit der Steuerketten. Die Spannrolle leitet in das Bauteil ein relativ starkes Biegemoment ein, das eine Wandstärkenverdickung und bessere Verrippung des Magnesiumbauteils erforderlich macht. Die Magnesiumlegierung sowie die durch ihre Verwendung möglichen Geometrien sorgen für eine Massenreduktion von 3,89 auf 2,07 kg (-47 %).
Für die ölführenden Bauteile musste Georg Fischer eine Druckdichtigkeit von 23 bar gewährleisten. Hohen Aufwand erforderte die Entfeinerung des Bauteils, um – ähnlich wie bei den Zylinderkopfhauben – Erstarrungslunker weitestgehend zu vermeiden. Zudem sind zum Erhalt der erforderlichen Steifigkeit die Verrippungen des Magnesiumbauteils teilweise dicker ausgeführt und enger angeordnet als beim Aluminiumbauteil. Trotzdem sinkt die Masse des Bauteils von 5,6 auf 3,51 kg (-37 %).
Beim Ölfiltergehäuse besteht die Schwierigkeit, dass das Feingewinde, der große Durchmesser des Flansches und die O-Ring-Abdichtung keine Porositäten im Gussstück dulden. Somit dürfen bei der mechanischen Oberflächenbearbeitung keine eventuell vorhandenen Lunker freigelegt werden. Dies setzt eine minimale Bearbeitungstiefe voraus, die wiederum nur durch eine völlig gleichmäßig konzentrische Bearbeitung gewährleistet ist. Nach dem Vermessen der Flanschgeometrie mit einem Tastsensor kann Georg Fischer eine einseitige und zu tiefe mechanische Bearbeitung ausschließen.
Auch beim Ölführungsmodul bestehen sämtliche Schrauben aus Aluminium, um die Magnesiumkomponenten korrosionsgeschützt mit dem Motorblock zu verbinden. Weitere Maßnahmen sind der Wechsel bei etlichen Dichtungen von Stahl auf Aluminium und Clipverbindungen von Anbauteilen mit Kunststoff- statt Stahlelementen. Bei allen vier Magnesiumkomponenten achten Porsche und Georg Fischer außerdem auf eine konsequente Kontaktvermeidung mit kupferhaltigen Bauteilen. Wo solche Bauteile erforderlich sind, werden sie durch zusätzliche Aluminiumzwischenschichten vom Magnesium getrennt. Die jeweils 240 h dauernden Korro- sionstests der Einzelkomponenten führte ebenfalls Georg Fischer durch. Finale Tests am Gesamtmotor erfolgten bei Porsche.
Georg Fischer; Telefon: 0041 52 631-2114; E-Mail: sinem.gizli@georgfischer.com

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