Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Prof. Dr.-Ing. R. Flierl Konzeption, werkstoffgerechte Gestaltung und Festigkeits- nachweis für ein Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse Dipl.-Ing. Univ. Joachim Doerr Vollständiger Abdruck der vom Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Uni- versität Kaiserslautern zur Verleihung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. habil. D. Eifler 1. Prüfer der Dissertation: Prof. Dr.-Ing. R. Flierl 2. Prüfer der Dissertation: Prof. Dr.-Ing. B. Sauer Die Dissertation wurde am 12.01.2005 bei der Universität Kaiserslautern eingereicht und durch den Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik am 17.03.2005 angenommen. Tag der mündlichen Prüfung: 06.04.2005 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner dreijährigen Tätigkeit in der technischen Entwicklung der Audi AG in Ingolstadt, Bereich Entwicklung Grundmotor Reihenottomotoren. Herrn Prof. Dr.-Ing. R. Flierl gilt mein besonderer Dank für die stete Diskussionsbereitschaft und Unterstützung. Seine fachlichen Anregungen und seine vorbildliche wissenschaftliche Betreuung waren Voraussetzungen für das Gelingen dieser Arbeit. Für die Übernahme des Koreferats danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Sauer. Ebenso danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. D. Eifler für den Vorsitz in der Prüfungskommission. Herrn Dr.-Ing. J. Böhme (I/EA-11) gilt mein besonderer Dank. Sein Vertrauen und seine wohlwollende Unterstützung ermöglichten es mir, die Thematik des Magnesium-Hybrid- Zylinderkurbelgehäuses innerhalb der Abteilung I/EA-11 in der notwendigen wissenschaftli- chen Tiefe zu beleuchten. Weiterhin möchte ich mich bei Herrn Dr.-Ing. R. Krebs (I/EA-1) für die Förderung dieser Arbeit bedanken. In besonderem Maße danken möchte ich auch den Kollegen und Mitarbeitern der Abteilun- gen I/EA-11, I/PG-63 und I/EG-34, vor allem bei Herrn Dr.-Ing. W. Schneider, Herrn Dr.-Ing. B. v. Grossmann, Herrn Dr.-Ing. C. Haberling sowie Herrn Dipl.-Ing. Albrecht Rothe für ihre tatkräftige Unterstützung und ihre Diskussionsbereitschaft. Ebenfalls möchte ich mich bei den Kolleginnen und Kollegen der Grundmotorkonstruktion (I/EA-111) und -berechnung (I/EA-113) bedanken, die mich während der Zeit der Konzeption und Konstruktion des Magnesium-Kurbelgehäuses und während der FEM-Berechnungen unterstützt haben. Ohne das Wohlwollen hilfsbereiter Kollegen wäre eine solche Arbeit wohl kaum möglich gewesen. Nicht vergessen möchte ich auch alle Diplomanden und Praktikanten, die mir in den unter- schiedlichsten Themenbereichen zugearbeitet haben. Wenn man während einer industriellen Tätigkeit eine Dissertation verfasst, kommt vieles im Familien- und Privatleben zu kurz. Der größte Dank gilt deshalb meiner Familie und meiner lieben Freundin Jutta, für das geduldige Ertragen vieler Abende, Wochenenden und Ur- laubstage, die ich während der letzten Monate mit dem Schreiben dieser Arbeit verbracht habe. Ingolstadt, im November 2004 Joachim Doerr Kurzfassung Im Hinblick auf die Gewichtsreduktion am Gesamtfahrzeug zur Verbesserung der Fahrdy- namik und zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs wurde ein Vierzylinder-Kurbelgehäuse auf Basis des leichten Konstruktionswerkstoffs Magnesium konzipiert und konstruiert. Unter der Zielvorgabe einer spezifischen Leistung von mindestens 65 kW/l lag der Fokus auf einer zum Serienmotor mindestens gleichwertigen Belastbarkeit und Akustik und auf der Behebung der Kriech- und Korrosionsproblematik von Magnesium. Durch die Kombination verschiedener Leichtbauprinzipien wie Konzept-, Gestalt- und Ver- bundleichtbau, ist es mittels lokalem Werkstoffengineering gelungen, die Nachteile des Mag- nesiums zu kompensieren und seine Vorteile bestmöglich zu nutzen. Das Ergebnis ist ein zur Aluminiumbasis um ca. 6,5kg und zur Graugussbasis um ca. 23kg leichteres Magnesi- um-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse. Die short-skirt Bauweise in Verbindung mit einem zur Ölwanne nahezu komplett geschlossenen Bedplate ergibt ein hochsteifes Kurbelgehäuse mit einer im Vergleich zum Serien-Aluminium-ZKG höheren Belastbarkeit. Das flexible Kurbel- gehäusekonzept ermöglicht es außerdem, auf Basis des für Magnesium sehr wirtschaftlichen Druckgussverfahrens, Zylinderkurbelgehäuse sowohl in open-deck als auch in closed-deck- Bauweise herzustellen. Kernstück des neuen Motorblocks ist ein multifunktionaler, 3,8kg leichter Zylindereinsatz aus Aluminium, der die Funktion der Zylinderlaufbahn, der Zylinderkopf- und Hauptlagerver- schraubung sowie der Kühlwasserführung übernimmt. Zur Verbesserung der Verbundeigen- schaften zwischen dem Zylindereinsatz und dem umgebenden Magnesium wurden umfang- reiche Gießversuche und metallographische Untersuchungen durchgeführt. Eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte AlSi12-Beschichtung erzielte schließlich die besten Ergebnisse in Bezug auf ertragbare Zug- und Schubbelastungen in der Verbundzone. Zur Absicherung des Herstellungsprozesses wurden mit der Finite Elemente Methode ver- schiedene Abstützvarianten des closed-deck-Zylindereinsatzes für das prozesssichere Ein- gießen im Druckguss untersucht. Die Befüllung des Einsatzes mit Sand erwies sich dabei als die robusteste Lösung und wurde später in den Gießversuchen umgesetzt. Der Festigkeitsnachweis für das Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse wurde mit Hilfe der Finite Elemente Methode unter Einbeziehung der Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sowie unter Berücksichtigung nichtlinearer Werkstoffkennwerte und der Kriechproblematik von Magnesium erbracht. Ausgangspunkt für den Festigkeitsnachweis waren Eigenspannungsberechnungen, die das Abkühlen der Gussteile aus der Gießhitze, eine Warmauslagerung und die Bearbeitung der wichtigsten Funktionsflächen beinhaltete. Der Nachweis für die Dauerhaltbarkeit der Lagerstühle des Kurbelgehäuses wurde erbracht. Parameterstudien zeigten dabei einen positiven Einfluss der Eigenspannungen und eine geringe Sensitivität der Konstruktion in Bezug auf Reibungsvariationen zwischen Umguss und Eingussteilen. Kriechdehnungen im Bereich der Hauptlagerverschraubungen führten allerdings bei Verwendung der Standard Magnesiumlegierung AZ91 nach 500 Stunden bei 150°C zu einem Abfall der Schraubenvorspannkräfte um bis zu 75%. Es konnte gezeigt wer- den, dass dieses Problem bei Verwendung von kriechfesteren Legierungen (z.B. MRI 153M) mit ca. 10-20fach besserer Kriechfestigkeit bzw. Relaxationsbeständigkeit behoben werden kann. Der rechnerisch erbrachte Nachweis für die Dauerhaltbarkeit des Zylinderkurbelgehäuses konnte kurz vor Fertigstellung dieser Arbeit in einem Motorversuch (Polyzyklischer Dauer- lauf, 100h) bestätigt werden. Der Motor zeigte nach Ende der Laufzeit keine Auffälligkeiten und konnte weiter betrieben werden. Abstract With regard to the weight reduction at the entire vehicle for the improvement of the driving dynamics and for the reduction of the fuel consumption, a four-cylinder crank case was de- signed on the basis of the light metal magnesium. Under the target of a specific power output of at least 65 kW/l, the focus laid on a strength durability and acoustic quality at least equiva- lent to serial engines. Furthermore, the intention was the elimination of the crawling and cor- rosion problems of magnesium. Through the combination of different lightweight construction principles like concept-, shape- and compound-leightweight construction and the use of local material engineering the advan- tages of magnesium could be used in the best possible way. The result is a so called mag- nesium hybrid engine block which is about 6.5kg lighter than an aluminum block and about 23 kg lighter then a grey cast iron block. The short-skirt design in connection with a nearly closed Bedplate turns out a very stiff crank case with an even higher strength durability than the original aluminium crank case. The flexible block concept makes it possible to use the highly economic high pressure die casting process for either crank cases in open-deck or closed-deck design. The main item of the new engine block is a multi-functional aluminium cylinder insert, which weighs only about 3.8kg and incorporates the functions of the cylinder liners, the cylinder head and mainbearing mounts as well as the cooling jacket. For the improvement of the compound properties between the aluminium cylinder insert and the surrounding magne- sium, extended experiments and metallographic investigations were carried out. A thin layer of an AlSi12-alloy applied by plasma coating finally achieved the best results with respect to the maximum withstandable tensile and shear loads in the compound zone. To ensure the incasting process of the closed-deck cylinder insert during high pressure die casting (danger of collapsing water jackets), different supporting systems of the water jacket were examined by finite element analysis. The best results were finally generated by filling the water jacket of the cylinder insert with sand before casting it in. This technique was turned over later in the casting-experiments. The durability analysis of the magnesium hybrid cylinder crankcase was done with the finite element method under inclusion of the results of the metallographic investigations as well as considering non-linear material properties and the crawling-behaviour of magnesium. Before, residual stress calculations were done, considering the cooling down of the castings, a heat treatment and the machining of the most important functional faces. These residual stress results served as starting conditions for the durability analysis. Parameter studies during the durability analysis of the main bearing panels showed a posi- tive influence of the residual stresses at high temperatures and a small sensitivity with re- spect to friction variation between the inserts and the surrounding magnesium. By using standard magnesium alloys like AZ91, after 500 hours at 150°C, creep strains in the main bearing area lead to bolt pretension losses up to 75 %. It was shown, that this problem can be solved by the use of newly developed creep resistant magnesium alloys (for example MRI 153M). The creep resistance and relaxation performance of these alloys is about 10 to 20 times higher than that of conventional magnesium materials. The durability of the magnesium hybrid engine block could be confirmed shortly before finish- ing this thesis in a first engine experiment (polycyclic endurance test, 100h). The engine did not show any conspicuousness and could be reassembled again in order to keep on running. Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung....................................................................................................................... 1 2 Stand der Technik......................................................................................................... 4 2.1 Werkstoffkundliche Grundlagen..................................................................................4 2.1.1 Vorkommen und Gewinnung von Magnesium......................................................4 2.1.2 Preisentwicklung von Magnesium........................................................................5 2.1.3 Magnesium als Konstruktionswerkstoff................................................................6 2.1.4 Einteilung der Magnesiumwerkstoffe....................................................................9 2.1.4.1 Magnesium-Gusswerkstoffe..........................................................................10 2.1.4.2 Mechanische Eigenschaften von Magnesium-Gusslegierungen....................12 2.1.4.3 Thermophysikalische Eigenschaften von Magnesium-Gusslegierungen........14 2.1.4.4 Gießtechnologische Eigenschaften von Magnesium-Gusslegierungen..........16 2.1.5 Recycling von Magnesium.................................................................................17 2.2 Historie – Magnesium im Automobilbau....................................................................18 2.3 Verbrennungsmotore aus Magnesium......................................................................20 2.3.1 Luftgekühlte Motoren..........................................................................................20 2.3.2 Wassergekühlte Motoren...................................................................................21 2.3.3 Neuere Entwicklungen bei wassergekühlten Motoren........................................23 3 Ziel der Arbeit...............................................................................................................25 4 Grundlagen...................................................................................................................26 4.1 Zylinderkurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren...................................................26 4.1.1 Funktionsbeschreibung......................................................................................26 4.1.2 Bauarten von Zylinderkurbelgehäusen...............................................................26 4.1.2.1 Konstruktion..................................................................................................26 4.1.2.2 Werkstoffe.....................................................................................................28 4.1.2.3 Gießverfahren...............................................................................................29 4.1.3 Belastungen am Zylinderkurbelgehäuse.............................................................33 4.1.3.1 Innere Belastungen.......................................................................................33 4.1.3.2 Äußere Belastungen......................................................................................37 5 Konzeption und Konstruktion des Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuses....38 5.1 Entwicklungsziel........................................................................................................38 5.2 Problemfelder...........................................................................................................38 5.3 Theoretische Betrachtungen.....................................................................................40 5.4 Konzeptauswahl und Begründung.............................................................................44 5.5 Konstruktionsmerkmale.............................................................................................47 5.5.1 Kurbelgehäuse-Oberteil.....................................................................................47 5.5.1.1 Aluminium-Zylindereinsatz............................................................................47 5.5.1.2 Magnesium-Umguss des Kurbelgehäuse-Oberteils.......................................49 5.5.2 Kurbelgehäuse-Unterteil (Bedplate)...................................................................50 5.5.3 Hauptlagerstuhl-Verstärkungen (HLV)................................................................51 Inhaltsverzeichnis 5.5.4 Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse (Zusammenbau).............................51 5.6 Gewichte / Hauptabmessungen................................................................................53 6 Gießversuche und metallographische Untersuchungen...........................................54 6.1 Vorbereitung der Gießversuche................................................................................54 6.2 Untersuchung der Verbundschicht zwischen Aluminium-Laufbuchse und Magnesium-Umguss.................................................................................................58 6.2.1 Metallographische Charakterisierung der Verbundschicht..................................58 6.2.2 Ultraschall-Untersuchungen...............................................................................65 6.2.3 Haftzugversuche – Ermittlung der Haftzugfestigkeit der Grenzschicht................67 6.2.4 Torsionsversuche – Ermittlung der Schubfestigkeit der Grenzschicht................68 6.3 Abschließende Bewertung der Oberflächen- und Beschichtungssysteme.................69 7 FEM-Berechnungen......................................................................................................70 7.1 Theoretische Grundlagen..........................................................................................70 7.1.1 Thermomechanik und Betriebsfestigkeit.............................................................70 7.1.2 Kriechen & Relaxation........................................................................................73 7.1.2.1 Kriechen........................................................................................................73 7.1.2.2 Relaxation.....................................................................................................74 7.2 Gießsimulation – Grundlage für Eigenspannungsberechnungen...............................76 7.2.1 Formfüllung........................................................................................................76 7.2.2 Erstarrungssimulation.........................................................................................76 7.3 FEM-Modell..............................................................................................................77 7.3.1 Vernetzung.........................................................................................................77 7.3.2 Temperaturabhängige Werkstoffkennwerte........................................................78 7.3.3 Abbildung der Kontaktproblematik zwischen Inlay und Umguss.........................78 7.3.3.1 Übertragung der Eigenschaften der Verbundschicht auf das FEM-Modell.....79 7.3.4 Abbildung der Kriechproblematik im FEM-Modell...............................................82 7.4 Simulation des Herstellprozesses – Eigenspannungen.............................................83 7.4.1 Verformungen des Zylindereinsatzes durch den Druckgussprozess...................85 7.4.2 Verformungen und Eigenspannungen durch den Abkühlprozess (AZ91)............88 7.4.3 Relaxation der Gießeigenspannungen durch thermisches Entspannen..............89 7.4.4 Spannungsumlagerung durch mechanische Bearbeitung...................................90 7.5 Einfluss der Verbundschicht auf die Eigenspannungen.............................................93 7.6 Analyse des Motorbetriebs – Temperaturberechnungen...........................................96 7.6.1 Ermittlung des Wärmedurchgangswiderstands der Verbundschicht...................96 7.6.2 Ergebnisse der Temperaturberechnungen.........................................................97 7.7 Verformung und Festigkeit des Hauptlagerstuhls....................................................101 7.7.1 Gestaltungsmöglichkeit des Hauptlagerstuhlbereichs.......................................101 7.7.2 Lastfälle............................................................................................................103 7.7.2.1 Montagelastfall, Step 1................................................................................103 7.7.2.2 Temperaturlastfall, Step 2...........................................................................103 7.7.2.3 Dynamische Lastfälle, Step 3 – 6................................................................103 7.7.3 Ergebnisse.......................................................................................................103 7.7.3.1 Verformungen und Spannungen..................................................................104 7.7.3.2 Dauerfestigkeits-Betrachtung......................................................................105