Mikrostrukturierte Zylinderlaufbuchsen optimieren Verbrennungsmotoren

Aufbau des aktorischen Hybridwerkzeugs, das für die neue Prozesskette mit sensorischen Zusatzfunktionen zur Qualitätskontrolle ausgestattet ist.

Foto: IFW

Das Projekt „Antriebsstrang 2025“ hat die Reduzierung von THG durch die Optimierung von Antriebsstrangkomponenten und deren Fertigungsprozessketten als Ziel. Um die Reibung im Kolben-Zylindersystem zu reduzieren, wird in einem Forschungsprojekt die Produktion unrunder, mikrostrukturierter Zylinderlaufbuchsen betrachtet. Hierfür wurde am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover ein aktorisches Werkzeug entwickelt, das die benötigten Prozessschritte reduziert und durch die Einbindung in eine autonome Prozesskettenregelung den Ausschuss minimiert.

Das Forschungsprojekt „Antriebsstrang 2025“

Automobilität ist ein wichtiger Teil der heutigen Gesellschaft. Trotz der Klimaziele ist zu beobachten, dass sich die Anzahl der Personenkraftwagen (PKW) stetig erhöht [1]. In 2016 betrugen die Treibhausgasemissionen von europäischen Pkw 11 % der gesamten Treibhausgasemissionen der EU [2]. Angesichts des Klimawandels ist es daher von großer Bedeutung, die Emissionen bei der Herstellung und Nutzung von zu reduzieren. Das Forschungsprojekt „Antriebsstrang 2025“ hat daher das Ziel, den Energiebedarf bei der Herstellung und Nutzung von ausgewählten Komponenten des Antriebsstrangs zu reduzieren.

Prozesskette zur energieeffizienten Herstellung von Zylinderlaufbuchsen

Durch Maßnahmen wie Downsizing und Hochaufladung erfolgt zwar eine Reduzierung des CO₂-Ausstoßes, diese Maßnahmen führen jedoch auch zu einer Erhöhung der thermo-mechanischen Belastungen des Verbrennungsmotors [3]. Das Kolben-Zylindersystem verursacht dabei circa 30 % der mechanischen Verluste im Motor [3]. Um diese zu reduzieren, werden unter anderem die Zylinderlaufbahnen gehont, beschichtet oder Mikroschmiertaschen eingebracht [4–7]. Durch das Einbringen von Mikroschmiertaschen (s. Bild 1) wurde eine Reduzierung des Verschleißes der Kolbenringe und der Laufbahn um bis zu 50 % erreicht [8] und der Kraftstoffverbrauch um bis zu 4,5 % reduziert [6,9]. Für die spanende Fertigung von Mikroschmiertaschen in eine zylindrische Form wurde von Dahlmann und Denkena ein aktorisches Werkzeug entwickelt [8,10]. Durch die aktive Auslenkung einer Werkzeugschneide durch einen Piezoaktor können Strukturierungsfrequenzen von 2,5 kHz realisiert werden, was die Produktivität im Vergleich zur Laserstrukturierung auf das Sechsfache steigert [10].

Neben der Mikrostrukturierung der Laufbahn ist ein weiterer Ansatz zur Reduzierung der inneren Reibung die Berücksichtigung der mechanisch und thermisch induzierten Verformung im Verbrennungsmotor. Diese treten während des Betriebs des Motors auf. Das Formhonen kann genutzt werden, um eine negative Verzugsform der im Betrieb auftretenden Verformung in die Laufbuchse einzubringen, Bild 1. So wird die Verformung im Betrieb kompensiert, wodurch die Zylinderlaufbuchse im Betrieb idealerweise rund ist [11].

Bild 1: Ansätze zur Reduzierung der inneren Reibung des Motors im Betrieb. Grafik: IFW

Für die Erzeugung der negativen Verzugsform wird bisher das Unrund-Vorhonen eingesetzt, Bild 2 (a). Honprozesse benötigen jedoch eine sehr große Menge an Hon-Öl, was sich negativ auf die Energieeffizienz des Produktionsprozesses auswirkt. Daher wird der energieintensive Vorhonprozess durch einen trockenen Drehprozess ersetzt (siehe Bild 2b). Weiterhin werden Mikroschmiertaschen spanend in die Laufbahnen eingebracht. Zur Reduzierung von Nebenzeiten werden beide Prozesse in einem Werkzeug kombiniert. Das Unrundausspindeln und das Mikrostrukturieren sind heute zwar einzeln verfügbar, wurden aber noch nicht in einem einzigen Werkzeug zusammengefasst. Ihre Wechselwirkung ist daher noch nicht untersucht und Lösungsansätze ihrer Kombination sind nicht bekannt.

Bild 2: Vergleich der konventionellen (oben) und der geregelten Prozesskette (unten). Grafik: IFW

Vorgeschaltete Inline-Messung verbessert die Prozessergonomie

Neben dem Honölbedarf hat der Bauteilausschuss eine hohe Bedeutung für die Energieeffizienz der Prozesskette. Da der Ausschuss konventionell erst in der End-of-Line Messung detektiert wird, entstehen zusätzliche Kosten, wenn fehlerhafte Bauteile alle Fertigungsschritte durchlaufen. Eine Nachbearbeitung ist in vielen Fällen nicht wirtschaftlich vertretbar. Es wird daher eine Inline-Messung vor dem Honprozess vorgesehen, um fehlerhafte Bauteile frühzeitig zu detektieren.

Die Informationen der Inline- und End-of-Line Messung werden neben der Qualitätssicherung als Eingangsgröße für eine Prozesskettenregelung (PKR) genutzt. Die PKR regelt die Geometrie und damit die Qualität der Zylinderlaufbuchse über alle Prozesse hinweg, wodurch der Ausschuss reduziert wird. Der innere Regelkreis mit dem Regler I (R I) regelt die Prozesse Unrundausspindeln und Mikrostrukturieren. Sinkt beispielsweise durch den Verschleiß der Schneide die Schnitttiefe beim Mikrostrukturieren, wird das in der Inline-Messung detektiert und die Zustellung für die nächsten Zylinderlaufbuchsen erhöht. Der äußere Regelkreis mit dem Regler II (R II) regelt die Prozessparameter des Honprozesses abhängig von der Qualität der Buchse aus den vorherigen Prozessschritten. Eine Durchmesserabweichung nach dem Ausspindeln wird dann durch ein gezieltes Anpassen des Finish-Honprozesses korrigiert. Eine PKR bietet daher die Möglichkeit die Wechselwirkungen zwischen den Prozessen für eine verbesserte Qualitätsregelung im Vergleich zu mehreren einzelnen Prozessreglern zu nutzen.

Aktorisches Hybridwerkzeug

Für diese neue Prozesskette wird ein aktorisches Hybridwerkzeug mit sensorischen Zusatzfunktionen zur Qualitätskontrolle entwickelt. Das aktorische Werkzeug hat zwei Hauptaufgaben: die Fertigung der Zylinderlaufbuchse sowie die Durchführung einer Qualitätskontrolle, welche im Weiteren beschrieben sind.

Das Hybridwerkzeug soll auf einem Werkzeugrevolver eines Drehzentrums eingespannt werden und die rotierende Zylinderlaufbuchse bearbeiten. Da beim Ausspindeln ein hohes Zeitspanvolumen angestrebt wird, beim Mikrostrukturieren hingegen Schmiertaschen von 80 μm Breite und 50 μm Tiefe eingebracht werden, werden zwei Wendeschneidplatten vorgesehen. Diese sind axial zueinander versetzt und werden jeweils über einen Piezoaktor radial zugestellt. Beim Unrundausspindeln werden Frequenzen von bis zu 250 Hz benötigt, beim Mikrostrukturieren etwa 2 kHz.

Konzept der Aktorik und Sensorik

Bild 3 zeigt mögliche Anordnung der Piezoaktoren und der Schneiden. Dabei können die aus Piezoaktor und Schneide bestehenden Einheiten in radialer Richtung axial versetzt zueinander (Variante a, c) oder in axialer Richtung (Variante b) angeordnet sein. Eine axiale Anordnung mit einer hydraulischen oder elastokinematischen Umlenkung ermöglicht größere Hübe, da die Größe des Piezoaktors und damit die Größe des Hubs nicht durch den Innendurchmesser der Zylinderlaufbuchse begrenzt wird. Durch die Umlenkung wird jedoch die erreichbare Dynamik begrenzt. Um die Dynamik der Piezoaktoren beim Strukturieren in vollem Umfang nutzen zu können, sind daher a) und c) vorzuziehen. Im Gegensatz zu a) ist die Strukturierungseinheit der Variante c) an der Laufbahn über ein Stützlager geführt. Die mit einer Führung gelagerte Strukturierungseinheit wird über eine hydraulische Vorspannung gegen die Innenwand gedrückt. Dies hat den Vorteil, dass die Strukturierungseinheit der unrund gefertigten Geometrie der Buchse folgt. So kann der gesamte Hub des Piezoaktors für die Strukturierungstiefe genutzt werden. Aus diesem Grund wird Variante c) vorgesehen.

Bild 3: Vergleich unterschiedlicher Anordnungen der Werkzeuge und Piezoaktoren. Grafik: IFW

Anhand der Sensorik wird die Inline-Messung zur Qualitätskontrolle der Zylinderlaufbuchsen und eine Prozessüberwachung realisiert. In der Inline-Messung wird die Rundheitsabweichung der negativen Verzugsform der Laufbuchse (Makrogeometrie) und die Geometrie der Mikroschmiertaschen (Mikrogeometrie) gemessen. Dafür eignen sich berührungslose Abstandssensoren wie konfokale Sensoren und Triangulationssensoren. In Voruntersuchungen zeigte sich, dass ein konfokaler Sensor aufgrund des kleineren Messflecks von nur 10 µm am geeignetsten ist, die Größe der Mikroschmiertaschen zu erfassen, Bild 4. Im Vergleich zur taktilen Referenzmessung weist die optische Inline-Messung jedoch Messfehler an den Kanten der Mikrostrukturen auf. Diese treten durch eine zu große Verkippung der Messobjektoberfläche zur Sensorachse auf. Zur Korrektur der Messfehler werden in Zukunft unterschiedliche Methoden der Signalverarbeitung erforscht, um die Qualität der Messung weiter zu verbessern.

Zusätzlich zu einem konfokalen Sensor werden weitere Sensoren zur Prozessüberwachung implementiert. Die Piezoaktoren werden dafür mit Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren, und das Werkzeug mit Beschleunigungssensoren ausgestattet. Diese Sensoren werden benötigt, um die Auslenkung der Piezoaktoren, deren Temperatur sowie Werkzeugbruch und Werkzeugverschleiß zu überwachen.

Bild 4: Messqualität der Inline-Messung. Grafik: IFW

Gesamtkonzept bündelt die Erkenntnisse

Das Gesamtkonzept des Hybridwerkzeugs ist in Bild 5 dargestellt. Die Einheit für das Unrundausspindeln (links) ist fest am Werkzeug befestigt und wird nur über die Achsen der Werkzeugmaschine radial zugestellt. Die Einheit zum Mikrostrukturieren (rechts) ist über eine Führung an dem Werkzeug befestigt und wird durch eine hydraulische Aktuierung mit dem Stützlager an der Innenwand abgestützt. Damit Stützlager und Schneidplatte auf einer Höhe ausgerichtet werden können, ist das Stützlager über eine Mikrometerschraube radial einstellbar. Um die Piezoaktoren vor einer Belastung mit Querkräften zu schützen, sind beide Piezoaktoren mit Festkörpergelenken radial geführt.

Bild 5: CAD-Modell des Kombinationswerkzeugs. Grafik: IFW

Zusammenfassung und Ausblick

Für die Reduzierung der Treibhausgasemissionen in der Fertigung und beim Betrieb von Pkw werden im Projekt „Antriebsstrang 2025“ energieeffiziente Prozessketten für optimierte Komponenten des Antriebsstrangs erforscht. Es wurde eine geregelte Prozesskette vorgestellt, die es erlaubt, unrunde, mikrostrukturierte Zylinderlaufbuchsen mit einem geringeren Honölbedarf als bisher zu fertigen. Für diese Prozesskette wurde ein aktorisches Hybridwerkzeug entwickelt, das neben den Prozessen Unrundausspindeln und Mikrostrukturieren auch die Inline-Messung und Signalaufnahme für die Prozessüberwachung erlaubt.

In einem nächsten Schritt wird das Werkzeug in Betrieb genommen und die Wechselwirkungen der Prozesse Ausspindeln und Mikrostrukturieren sowie Honen untersucht. Mit diesen Kenntnissen wird dann eine Prozesskettenregelung erforscht, um den Ausschuss in der Fertigungsprozesskette zu minimieren und so eine energieeffizientere Produktion der Zylinderlaufbuchsen möglich zu machen.

Danksagung: Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für die Finanzierung des Projekts (Förderkennzeichen: 03ET1531A).

Literatur

1. International Organization of Motor Vehicle Manufacturers: Passenger Cars in use, http://www.oica.net/wp-content/uploads//PC_Vehicles-in-use.pdf, Aufruf 20. Aug. 2019.
2. European Federation for Transport and Environment AISBL: CO2 Emissions From Cars: The Facts, Brussels (2018).
3. Berg, M.; Schultheiß, H.; Musch, D.; Hilbert, T.: Moderne Methoden zur Optimierung von Zylinderverzügen. MTZ Motortech, 76 (2015) 46–55.
4. Denkena, B.; Köhler, J.; Kästner, J.; Göttsching, T.; et al.: Efficient Machining of Microdimples for Friction Reduction. Journal of Micro and Nano-Manufacturing, 1 (2013) 011003 1–8.
5. Bobzin, K.; Ernst, F.; Richardt, K.; Schlaefer, T.; et al.: Thermal spraying of cylinder bores with the Plasma Transferred Wire Arc process. Surface and Coatings Technology, 202 (2008) 4438–4443.
6. Etsion, I.: Surface texturing for in-cylinder friction reduction. Tribology and Dynamics of Engine and Powertrain (2010) 458–470.
7. Lawrence, K. D.; Ramamoorthy, B.: Multi-surface topography targeted plateau honing for the processing of cylinder liner surfaces of automotive engines. Applied Surface Science, 365 (2016) 19–30.
8. Abeln, T.: Geringere Reibung durch Laserstrukturierung. Verbessern der tribologischen Eigenschaften über eine definierte Oberflächengestaltung. wt online, 10 (2004) 566–571.
9. Golloch, R.; Merker, G.P.; Kessen,U.; Brinkmann, S.: Benefits of Laser-Structured Cylinder Liners for Internal Combustion Engines. Tribology and lubrication engineering: 14th International Colloquium Tribology (2004) 321–328.
10. Dahlmann, D.; Denkena, B.: Hybrid tool for high performance structuring and honing of cylinder liners. CIRP Annals, 66 (2017) 113–116.
11. Droeder, K.; Hoffmeister, H.-W.; Grosse, T.: Force-controlled form honing using a piezo-hydraulic form honing system. CIRP Annals, 66 (2017) 317–320.