Aktoren Warum sparen Aktoren Kraftstoff?

Robuste Hightech Aktoren vom Bodensee helfen beim Kraftstoffsparen und reduzieren den CO2-Ausstoß.

Anbieter zum Thema

Lenord, Bauer & Co. GmbH

Franke GmbH

Actronic-Solutions GmbH

ETO Magnetic GmbH

Der Robuste Produktionsprozess (RPP) ist das Ziel einer gleichnamigen VDA-Richtlinie. Gefordert wird ein produzierbares, robustes Design und ein stabiler, mess- und steuerbarer Prozess, der gegen Störgrößen unempfindlich ist. Ein Pilotprojekt von ETO MAGNETIC und AUDI hat gezeigt, dass mit dem RPP die Produktqualität über die vorgegebene Lebensdauer gesichert, der geplante wirtschaftliche Aufwand eingehalten und ein Produkt termingerecht in der geforderten Menge geliefert werden kann.

Der Automobilhersteller AUDI hatte mehrere Lieferanten unterschiedlicher Größe und Herkunft zur Teilnahme am Test des Robusten Produktionsprozesses (RPP) eingeladen. Ausgewählt wurde auch die ETO MAGNETIC, da im neuen AUDI-Motor ein interessantes ETO MAGNETIC Aktorkonzept eingesetzt werden sollte. Robustheit stand hier von Beginn an im Mittelpunkt der Entwicklung.

Bekannt ist ETO MAGNETIC als Entwickler und Hersteller von elektromagnetischen Komponenten, die bewegen, steuern und kontrollieren. Induktivsensoren, elektromagnetische Aktoren und Magnetventile für Hydraulik und Pneumatik sind typische Produkte. Im hier beschriebenen Projekt ging es um die sogenannte Audi valvelift system-Verstelleinheit. Dieser elektromagnetische Aktuator sitzt im Herzen der neuartigen AUDI-Nockenwellen-Hubverstellung Audi valvelift system. Eine Axialverschiebung von Nockenstücken bewirkt unterschiedliche Hübe der Einlassventile.

Schnelle und robuste Aktoren notwendig

Fortschritte in der Motorentechnik ermöglichen eine Anpassung der Ventilbewegung auf jeweils optimale Verhältnisse. Dazu sind jedoch schnelle und robuste Aktoren notwendig, die eine von der Motorsteuerung vorgegebene Kennlinienanpassung umsetzen. Ein solcher Aktor ist kein Produkt von der Stange sondern muss in enger Zusammenarbeit mit dem Motorenentwickler auf die Anforderungen im Motor abgestimmt werden.

Wie entsteht ein Aktor?

Am Anfang steht der Kundenwunsch. Die Auslegungsgrößen Hublänge, Kraft, Kraftverlauf, Schaltzeit und Bauraum werden eng mit dem Kunden abgestimmt. Eine besondere Herausforderung bestand darin, auf kleinstem Raum einen Aktor zu realisieren, der unbestromt in beiden Endlagen mit definierten Kräften gehalten wird (bistabiler Aktor). Bei Bestromung muss der Aktor innerhalb eines kleinen Zeitfensters ausfahren, um die Nut des schnell drehenden Nockens zu treffen. Durch das neuartige Zusammenwirken von elektromagnetischen und permanentmagnetischen Feldern konnte letztlich der Durchbruch erzielt werden. Es wurde schnell klar, dass die vom Kunden gestellten Anforderungen mit konventionellen Aktorkonzepten nicht umsetzbar waren. ETO MAGNETIC hat sich daher entschlossen, bestehende Aktorkonzepte grundsätzlich zu überdenken. Herausgekommen ist ein innovativer Ansatz mit dem die vom Kunden gesteckten Ziele erreicht werden konnten.

Teamarbeit ist ein Erfolgsfaktor

Teamarbeit ist während der gesamten Entwicklungszeit der Erfolgsfaktor. Das Kernteam bilden Prozessplaner und Konstrukteur, die engen Kontakt zum Kunden halten. Ein Aktor der direkt im Motor verbaut wird, stellt höchste Ansprüche an die Zuverlässigkeit bei extrem rauen Umgebungsbedingungen. Deshalb werden höchste Ansprüche an Robustheit und Zuverlässigkeit gestellt. Auch die enge und frühzeitige Einbindung des Qualitätsingenieurs spielt eine entscheidende Rolle.

Die Ideen des Teams werden vom Konstrukteur im CAD-System umgesetzt und im FEM-System simuliert. Zeitgleich werden die Ideen vom Prozessplaner auf Herstellbarkeit geprüft und in die Produktkalkulation eingepflegt. Der Konstrukteur bekommt sofort eine Rückmeldung über die Herstellbarkeit sowie Kosten und kann sein Design entsprechend optimieren.

Auf Basis der Projektpläne, Kalkulationen, der Risikobetrachtung in KFMEA und PFMEA sowie den zugehörigen Herstellkonzepten wird aus den erarbeiteten Varianten das optimale Konzept ausgewählt.

Im nächsten Schritt werden dann Funktionsmuster im hauseigenen Musterbau in kürzester Zeit gefertigt, um eine Verifikation von Auslegungsrechnungen und Simulationen zu ermöglichen.

Der virtuelle Prototyp

Die Konzeptphase wird durch die Erstellung von virtuellen Prototypen entscheidend beschleunigt. Bei ETO kann ein neuer Aktor in seinen Eigenschaften umfassend simuliert werden. Das kinematische und thermische Verhalten, der zeitliche Aufbau des Magnetfelds mit den resultierenden Magnetkraft-kennlinien und die mechanischen Belastungen - z.B. beim elastischen Stoß - können vorausberechnet werden. Die nicht-rotations-symmetrischen Magnetkonstruktionen wurden in 3D-Modellen nachgebildet um z.B. reibungsbeeinflussende Querkräfte zu simulieren. Die FEM-Simulation unterstützt den Konstrukteur dabei, die magnettechnisch schwierig auszulegende Wechselwirkung zwischen Elektro- und Permanentmagneten zu berechnen, frühzeitig Bauteiloptimierungen zu beginnen und Fehler vor den ersten Versuchen aufzuspüren. Das frühzeitige Ermitteln der Bauteilbeanspruchung ist eine wichtige Voraussetzung für eine robuste Konstruktion.

Zum Abgleich der Rechnersimulationen werden die Funktionsmerkmale aus den Funktions-mustertests in die Rechnerprogramme zurückgespielt um die Simulationen realitätsnah abzubilden.

Bewährungsprobe des Aktors im Versuchsfeld

Der Komponentenversuch bildet die Bedingungen im Motor so genau wie möglich nach. Der Aktor hat dann ein engmaschiges Versuchsprogramm zu durchlaufen, bei dem die extremen Temperatur-schwankungen, Öl und Schmutzeintrag, Motorvibrationen nachgestellt werden. Statistische Analysen der Versuchsergebnisse ermöglichen dann Aussagen über die Zuverlässigkeit des Aktors.

Der Test unter Worst-Case-Bedingungen fördert erbarmungslos Schwachstellen zu Tage. Die enge Zusammenarbeit mit Lieferanten an Detailproblemen hat hier zu einem robusten Produkt geführt.

Zufriedene Mienen bei den Projektbeteiligten

Dass mit diesem Pilotprojekt der richtige Weg eingeschlagen wurde, bewies der reibungslose Audi valvelift system Serienanlauf. Probleme wurden frühzeitig erkannt, Verbesserungsmaßnahmen wurden zeitnah umgesetzt und haben so zu einem robusten Produkt und robusten Serienprozessen geführt. AUDI hat sich auf Grundlage dieses Ergebnisses für ETO MAGNETIC als Erstlieferanten weiterer Motorvarianten entschieden. Das Unternehmen stellt derzeit auf Basis dieser positiven Stückzahlenentwicklung das ursprünglich manuelle Fertigungskonzept auf eine vollautomatische Fertigungslinie um. Die methodischen Verbesserungen, die im Rahmen des Audi valvelift system Projektes entwickelt und verfeinert wurden, werden jetzt auch auf andere Projekte übertragen. Nach Aussage der ETO Geschäftsleitung wird dabei ein besonderer Schwerpunkt auf die Kommunikation der Kundenanforderungen zu den Lieferanten gelegt. Die erarbeiteten RPP-Standards werden auch diesen Prozess effizienter gestalten.

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