Konzepte zur Fertigung von Zylinderköpfen in Verbundguss

Konsequentes Downsizing und die damit einhergehend verfolgten Maßnahmen zur Steigerung der spezifischen Leistungsdichten bei gleichzeitig verringerten Kraftstoffverbräuchen und Schadstoffemissionen führen in ihrer Summe sowohl zu erhöhten Drücken als auch zu gesteigerten Temperaturen in den Zylindern moderner Antriebsaggregate. Speziell das Bauteil Zylinderkopf unterliegt infolge der hervorgerufenen Beanspruchungen extremen Belastungen, die das Potenzial der bisher eingesetzten Werkstoffe weitestgehend ausreizen. Innovative Gestaltungskonzepte, die Verwendung neuartiger Werkstoffe sowie der Einsatz einer anforderungsgerechten Kombination lokal geeigneter Werkstoffe bieten aussichtsreiche Ansätze, die Diskrepanz zwischen hoch-belastbaren und dennoch leichten Bauteilen zu lösen. Die vorliegende Arbeit thematisiert vor diesem Hintergrund eine erstmalig vorgenommene, allgemeingültige Systematisierung und Klassifizierung, nach der Zylinderköpfe durch den Einsatz hybrider Werkstoffverbundlösungen optimiert werden können. Hierzu werden verschiedene Konzeptvarianten zur konstruktiven und fertigungstechnischen Gestaltung hybrider Zylinderkopfbauweisen erarbeitet und vorgestellt. Basierend auf grundlegenden Untersuchungen zum Verbindungsverhalten unterschiedlicher Werkstoffe werden in praxisnahen Versuchen umfangreiche Machbarkeitsanalysen der erarbeiteten Konzeptvarianten durchgeführt und über verschiedene FEM- bzw. CFD-Berechnungen hinsichtlich Temperaturfeldanalyse, Festigkeitsprognose und Ermüdungsfestigkeit eine Abschätzung und Bewertung deren Leistungspotenziale gegeben. In Auswertung der durchgeführten Berechnungen sowie der experimentellen Forschung werden die erarbeiteten Konzepte und Fertigungsvarianten bewertet und bezüglich ihrer Potenziale miteinander verglichen.