Stabil, leicht und kompakt

Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Abgaskrümmer für moderne Hochleistungsmotoren sind nicht mehr vergleichbar mit den Konstruktionen vergangener Tage. Wo früher schwere Gusskrümmer verbaut wurden, findet man heute High-Tech-Produkte vor. Immer leichter, kompakter und langlebiger müssen die modernen Abgaskrümmer sein – vor allem für den Einsatz in großvolumigen, leistungsstarken Motoren. Realisieren lassen sich diese Krümmer-Bauteile nicht mehr mit den gängigen Metall-Umformtechniken. Die Hydroforming-Fertigungstechnologie eröffnet der Automobilindustrie hier neue Möglichkeiten.

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Aufgeblasen : Automobil-Abgasbauteil
Aufgeblasen : Automobil-Abgasbauteil
( Archiv: Vogel Business Media )

Seit annähernd einem Jahrzehnt gibt es in der Abgasbranche die Anforderung, gegossene Krümmer von Verbrennungsmotoren durch leichtere Rohrkrümmer aus Blech zu ersetzen. Grund waren die immer strengeren Emissionsvorschriften und die damit nötige Verbesserung des Anspringverhaltens des Abgaskatalysators nach dem Kaltstart.

Für die seither verbreiteten luftspaltisolierten Krümmer können nur Innenrohre mit engsten Biegeradien, variablen Querschnitten und kleinsten Wandstärken von bis zu 0,5 mm verwendet werden. Eine enorme Herausforderung für die Herstellung dieser Rohre.

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Erhöhte Anforderungen an die Krümmer und damit die Umformtechnik stellen auch motornahe Katalysatoren, wie sie von dem Abgassystemspezialisten Boysen eingesetzt werden. Da der Katalysator dabei möglichst nah an den Motor herangeführt wird, erfordert diese Konstruktion eine weitere Anpassung der Krümmer an das beengte Raumangebot und an die höhere thermische und mechanische Beanspruchung.

Gleichzeitig geht der Trend ganz allgemein in Richtung eines Abgassystems, das genau so lange hält wie das Fahrzeug. Die Herausforderung besteht also darin, Krümmer zu entwickeln, die Leistung, Langlebigkeit und eine kompakte, leichte Bauweise in sich vereinen.

Um solche Krümmer für seine Kunden zu konstruieren, stößt man bei Friedrich Boysen in geometrische Grenzbereiche vor. Am PC entwerfen die Spezialisten Hochleistungskrümmer mit minimalen Wandstärken, kleinsten Biegeradien und millimetergenauen Geometrien. Umsetzen lassen sich diese perfektionierten Rohre nur mit Hilfe der sogenannten Innenhochdruck-Technik, auch Hydroforming genannt.

Als eines der ersten Unternehmen der Branche verwendet Boysen bereits seit Anfang der 90er-Jahre IHU-Rohre. Neben Rohren aus eigener Produktion setzt man dabei auf die langjährige Erfahrung des IHU-Spezialisten HDE SOLUTIONS aus Menden.

Je weniger Werkzeuge desto geringer die Kosten

Der entscheidende Unterschied des Hydroformings zur gängigen Metallumformung liegt darin, dass Hohlkörper aus Metall nicht durch das Zusammenfügen mehrerer, einzeln umgeformter Teile hergestellt werden. Stattdessen wird ein Ausgangsrohr von innen unter Hochdruck gesetzt und das Gesamtbauteil ohne weiteren Fügeprozess erstellt.

Eine Emulsion aus Wasser und Öl, die zuvor in das Metallrohr eingeleitet wurde, presst dieses in eine dreidimensionale Hohlform hinein – das sogenannte Werkzeug. Die Rohre werden quasi „aufgeblasen“. Bei einem Druck von bis zu 4000 bar werden selbst kleinste Radien und Wandstärken ausgeformt.

Als Vorlage für die IHU-Werkzeuge der HDE SOLUTIONS dienen die CAD-Konstruktionen aus dem Hause Boysen inklusive sämtlicher Angaben bezüglich Wandstärken, Geometrien oder Positionierung von Nebenformelementen. Mit einem optimalen Werkzeugkonzept ist es schließlich möglich, mehrere Bauteile mit einem einzigen Werkzeug herzustellen. Über geeignete Trennverfahren werden die Rohrstränge anschließend in Einzelteile zerlegt und mit den übrigen Komponenten zu einem kompletten Abgaskrümmer zusammengesetzt. Auf diese Weise können Fertigungsschritte eingespart und damit Kosten gesenkt werden.

Ideale Wandstärken und extreme Biegeradien

Für die Umformung der Zylinderzugänge und Schiebesitze wird ein ca. ein Meter langes Ausgangsrohr in der IHU-Presse mit dem Wirkmedium gefüllt und bei einem Druck von bis zu 2.200 bar in die Kontur des Werkzeuges gepresst. Die Wandstärken sinken dabei an den Außenradien noch unter den gewünschten Idealwert von 0,8 mm auf 0,7 mm. Da sich im Innenradius Material anstaucht, können sie hier bis zum oberen Grenzbereich von 1,3 mm steigen.

Die extremen Biegeradien im Strang gewährleisten später die kompakte Form des Krümmers. Die Querschnittsumformungen innerhalb des Stranges entsprechen den Öffnungen des Strömungstrichters, in die die Zylinderrohre münden. Solch präzise Formgebungen sind nur mit Hilfe des Innenhochdruck-Verfahrens möglich.

Auch der Strömungstrichter der Krümmer wird nach dem ökonomischen Werkzeug-Prinzip paarweise geformt. Bei hohen Stückzahlen ist die Herstellung in IHU-Bauweise kostengünstiger als Schalenteile. Darüber hinaus sind die IHU-Teile formgenauer und frei von Füge-Schweißnähten. Die komplexe Geometrie der Trichter werden so ausgeformt, dass sie eine optimierte Anströmung sowohl der Lambda-Sonde als auch des Katalysators gewährleistet.

Die Zugangsöffnungen für die Lambda-Sonde werden ebenfalls bei dem oben beschriebenen Umformungsprozess ausgestanzt. Durch die Verbindung des klassischen IHU-Verfahrens mit dem Innenhochdrucklochen erreicht HDE SOLUTIONS eine stufenreduzierte Fertigung von Bauteilen mit erweiterten Anwendungsmöglichkeiten.

Ein weiterer zentraler Vorzug der IH-Umformung für die Abgastechnik: Ohne Schweißen können an einem Bauteil Zu- und Abgänge platzsparend ausgeformt werden. Insbesondere für die extrem kompakte Bauweise von Krümmern für Hochleistungsmotoren ein unschätzbarer Vorteil. Hier sind die Auslassrohre der Zylinder oft so kurz konstruiert, dass es vorteilhafter ist, sie als Nebenformelemente – sogenannte Dome – auszuformen.

HDE Solutions

Tel. +49(0)2373 166 0

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