Konzeption und rechnerische Untersuchung von Leichtbau-Verbundkurbelgehäusen im Hinblick auf Festigkeit und Funktion unter Berücksichtigung der Produktentstehung

Auf Basis des monolithischen AUDI-V8-Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) wurden 3 Detailkonstruktionen in Magnesium-Aluminium-Grauguss-Verbundbauweise, unter Beachtung funktioneller Randbedingungen, wie beispielsweise die Darstellung einer geeigneten Zylinderlaufbahn, Kühlwasserführung, Verschraubungen, Dichtflächen, Anbauteile usw., ausgeführt. Die 3 Varianten stellen dabei das mögliche Spektrum zwischen maximaler Gewichtseinsparung und möglichen Steigerung der gewichtsspezifischen Festigkeit durch die Verbundbauweise dar. Als Ergebnis werden zur Aluminiumbasis max. 21% Gewichtsersparnis (8,4 kg) erzielt. Die Bewertung der Verformungen und Spannungen sowie deren Auswirkungen auf die Dauerfestigkeit der ZKG-Varianten im späteren Motorbetrieb erfolgten durch umfangreiche Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode. Zur Absicherung des Herstellungsprozesses wurden Füll- und Erstarrungssimulationen unter Berücksichtigung der Eingussteile im Druckguss durchgeführt. Mittels der Auswertung des Dehnungs- und Verformungszustandes nach der Abkühlung wurden Rückschlüsse auf rissgefährdete Bereiche sowie das Anbindungsverhalten zur Vermeidung eines Ablösens zwischen Eingussteilen und Umguss getroffen. Die aus dem Gieß- und Fertigungsprozess resultierenden Eigenspannungen wurden ermittelt und ihr Einfluss auf die Dauerfestigkeit sowie funktionsrelevante Verformungen und Spannungen untersucht. Des Weiteren wurden die Ergebnisse aus metallografischen Untersuchungen zur Anbindung zwischen Umguss und Al-Eingussteilen, nichtlineare Werkstoffmodelle, die realen Temperaturfelder im Motorbetrieb sowie das Kriechverhalten von Magnesium in den Finite-Elemente-Modellen berücksichtigt. Zur Verifizierung der in der Simulation getroffenen Annahmen und Ergebnisse wurden im Vorfeld Eigenspannungsmessungen, Pulsprüfungen des Lagerstuhls, Verschraubungs- und Auslagerungsversuche, sowie Gießversuche mit anschließenden Computertomografie-Untersuchungen am AUDI R4-Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse durchgeführt.