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Technik senkt Gewicht und Umweltbelastung

Der Automobilmarkt der Vereinigten Staaten ist unbestreitbar einzigartig

32 Jahre lang war das meistverkaufte Fahrzeug in den Vereinigten Staaten der Ford F-150, ein 2495 kg schwerer, bei Farmern, Kleinbetrieben und vorstädtischen Familien gleichermaßen beliebter Pick-up mit V8-Motor. Einem Außenseiter mag es vorkommen, als spiele Kraftstoffersparnis in den USA keine Rolle, doch das hat sich im letzten Jahrzehnt zu ändern begonnen. Vor 10 Jahren begannen die Benzinpreise deutlich zu steigen. Die US-Regierung hat jedoch die gesetzlichen Vorschriften bezüglich Kraftstoffersparnis, bekannt als Corporate Average Fuel Economy (CAFE) Normen, seit vielen Jahren verschärft. Die Regierung wird diese Normen aus Gründen des Umweltschutzes selbst angesichts des gegenwärtigen Überangebots an preisgünstigem Öl nicht wieder rückgängig machen. Autodesigner haben in jedem Teilbereich ihrer Auslegung und Konstruktion Verbesserungen in Bezug auf Kraftstoffersparnis gesucht.

Die erste Welle gesteigerter Kilometerleistung war erheblich: der Wechsel von Karosserie am Rahmen zu Karosseriedesign als Einheit sowie das Downsizing von V8- nach V6-Motoren und von V6-Motoren nach Motoren mit 4 Zylindern ohne im Markt wesentliche Auswirkungen auf das Leistungsverhalten hervorzurufen. So gab es auch in der ersten Welle Veränderungen am Automatikgetriebe mit 6, 8, 9 oder 10 Gängen. Wer hätte denn gedacht, dass ein Automatikgetriebe jemals eine bessere Beschleunigung und Kraftstoffersparnis als ein Schaltgetriebe bieten würde? Selbst der Verkaufsschlager von Ford - fast immer mit einem V8-Motor verkauft - wurde mit einer Karosserie aus Aluminium ausgestattet und wird mit ihrem Ecoboost V6 Turbo immer beliebter. US-Verbraucher und Automobilhersteller achten auf Kraftstoffersparnis und verändern die Automobil-Landschaft.

Mittlerweile gehören die großen Änderungen der "tief hängenden Früchte" größtenteils der Vergangenheit an. Die Ingenieure suchen derzeit nach Wegen, jedes einzelne Gramm aus jedem Pkw herauszuquetschen. Vergleicht man das typische Gewicht einer von den amerikanischen "Big 3" (Chrysler, Ford und General Motors) hergestellten Limousine mit ihrem Gewicht von 1588 kg mit jenem in Asien konstruierten und ebenfalls in den USA hergestellten Limousinen mit ihren 1462 kg, so bleibt für die Vereinigten Staaten noch viel Luft nach oben.

Laserschweißen von Auspuffanlagen

Bekanntermaßen spielt Laserschweißen eine große Rolle bei der Gewichtsreduzierung. Das ist schon bei Anwendungen im Karosserie- und Fahrwerksanwendungen weit verbreitet und ermöglicht den Ingenieuren die Masse benötigten Metalls an jeder Schweißstelle zu verringern. So können sie zum Laserschweißen kleinere Überlappungen und Laschen als beim Punktschweißen benötigt nutzen. Hinzu kommt, dass man beim Laserschweißen nicht auf die Rückseite der Schweißung zugreifen muss. Genau all diese Vorteile halten nunmehr Einzug im Bereich der Auspuffanlage.

Schalldämpfer der alten Generation wurden typischerweise aus Stanzteilen mit gefalzten Längsnähten und Endkappen hergestellt, die entweder mit Schweißnähten oder Überlappschweißung angebracht wurden (ABBILDUNG 1).

Eine herkömmliche Falznaht besteht aus vier Lagen überlappten Materials, wobei diese mit wenigstens 3/8" bzw. 1/2" Überlappmaterial über die gesamte Gehäuselänge miteinander verbunden sind, was Material vergeudet und die Masse vergrößert. Die gestanzten Endkappen müssen in das Ende des Schalldämpfers als ausreichende Überlappung für einen Falz oder eine Überlappschweißung eingelassen werden, wobei die Masse vergrößert und das Abstimmvolumenverringert wird. Als Retter erwies sich dann das Laserschweißen: Speziell beim Laserschweißen der Auspuffanlage ermöglicht den Wegfall von Falzen und Überlappschweißungen was damit niedrigere Emissionen ergibt.

ABBILDUNG 1. Schalldämpfer der alten Generation wurden typischerweise aus Stanzteilen mit gefalzten Längsnähten und Endkappen hergestellt, die entweder mit Schweißnähten oder Überlappschweißung angebracht wurden.

 

Gewicht = 20,59 kg

Haupt-Schalldämpfer:

  • Herkömmliche Konstruktion
  • Gerollte Falznaht, Längsnaht und Kappen
  • 1,2 mm starke Innenrohre und Ablenkbleche

 

Abstimmvolumen = 31,2 Liter

Rohre: Wanddicke 1,5 – 1,7 mm

    Aus neuen Fahrzeugdesigns wachsen Probleme mit der Auspuffanlage

    Interessanterweise sehen sich die Ingenieure für Auspuffanlagen bei der Weiterentwicklung moderner Fahrzeugdesigns mit einer bestimmten Anzahl einander angrenzender Herausforderungen konfrontiert:

    • Ebenso wie alle andere Teile vom Auto, so muss das Gewicht der Auspuffanlage zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs reduziert werden – indem man ihr Gewicht verringert.
    • Drehzahlverringerung ("engine down-speeding") des Motors durch den Einsatz längerer Getriebeübersetzungen verringert die abzusenkenden Schalthäufigkeiten, was größerer durchschnittlicher Abstimmvolumen bedarf. Diese größeren Schalldämpfer würden klassischererweise mehr Bauraumbedarf erfordern - das Innere vergrößern.
    • Der verstärkte Einsatz von Elektrohybrid-Antriebssystemen erfordert Bauraum für die Batteriesätze und verringert somit den verfügbaren Bauraum für die Auspuffanlage – verkleinern das Äußere.
    • Zunehmende Einführung von Allradsystemen verringern ebenfalls den verfügbaren Platz für die Auspuffanlage und komplizieren die Konstruktion der Auspuffrohre - weg damit.

    Umstieg zum Laserschweißen

    Laserschweißen in der Auspuffanlage wird nun schon seit vielen Jahren hauptsächlich im Bereich Nutzfahrzeuge eingesetzt. Im Gegensatz zu den Auspuffanlagen bei Pkws ist es bei Nutzfahrzeugen mit kleineren Volumen und Komponenten mit größerem Durchmesser schwierig oder unwirtschaftlich, passende runde Gehäuse zu erhalten, es sei denn, sie werden durch Profiliermaschinen und Längsnaht-Schweißanlagen kundenspezifisch hergestellt. So steht leicht erhältliche Technologie zum Einsatz stumpfgeschweißter Bauteile zur Verfügung, wobei die Welt der Pkw-Großserien durch das Hochgeschwindigkeits-Laserschweißen bestens bedient wird. Profilgewalzte Schalldämpfer bieten mehr Volumen als gestanzte Gehäuse mit deren eingesetzten Rippen. Stumpfgeschweißte Schalldämpfer wiegen weniger als längsgefalzte bzw. überlappgeschweißte Einheiten und haben keine offensichtliche potentiellen Leckagepunkte, an Stellen wo der Topf auf die Endkappe trifft. Gewölbte, an den Schalldämpfer geschweißte Endkappen bieten mehr Abstimmvolumen und sind leichter.

    Überdies stehen laminierte Schalldämpfer bei einigen der weltweit größten Automobilhersteller in deren Gunst ganz weit oben. Die Herstellung des Schalldämpfergehäuses aus zwei dünneren Teilen rostfreien Edelstahls bietet verbesserte Schalldämpfung gegenüber einem einwandigen Schalldämpfer und ermöglicht dabei eine Materialauswahl mit verschiedenen inneren und äußeren Korrosionsschutzeigenschaften des Schalldämpfers. Da ist das Laserschweißen genau die passende Lösung, weil es beide Lagen gleichzeitig stumpfnahtschweißt und mit einer kosmetisch attraktiven Schweißnaht ohne Probleme mit der Schweißnahtfestigkeit versehen kann.

    Moderne Schalldämpfer haben dank Laserschweißen dünnere Gehäuse, Anschlussköpfe und Ablenkbleche (ABBILDUNG 2) sowie:

    • Schweißnähte zum Vermeiden von Falznähten;
    • Einige Schalldämpfer haben zwei Lagen mit 0,5 mm Materialstärke;
    • Manche einlagige Gehäuse bestehen aus Material so dünn wie 0,6 mm;
    • Bei tiefgezogenen Anschlussköpfen kann die Ausgangsdicke 1,2 mm betragen;
    • Mit Vertiefungen versehene Schalldämpfergehäuse unterdrücken abgestrahlten Lärm;
    • Ablenkbleche sind bereits 0,8 mm dick und werden wahrscheinlich noch dünner; und auch
    • nichttragende Durchgangsrohre werden 0,6 mm oder dünner sein.

    ABBILDUNG 2. Neben anderen Vorteilen haben moderne Schalldämpfer dank Laserschweißen dünnere Gehäuse, Anschlussköpfe und Ablenkbleche.

    Gewicht = 14,64 kg

    Haupt-Schalldämpfer:

    • Vollverschweißte Konstruktion
    • Gewölbte Endkappen
    • Nichtgeschweißte Ablenkbleche an Gehäuse
    • 0,7 mm starke innenliegende Ablenkbleche und Rohre
    • Nichtgeschweißte Ablenkbleche an Gehäuse

     

    Haupt-Schalldämpfer = 33,7 Liter

    Rohre: 0,7 mm starke, innenliegende Ablenkbleche und Rohre

      Katalysatoren

      Als "Hot Ends" bezeichnete Katalysatoren können ebenfalls vom Laserschweißen profitieren und sind wohl moderneren Fertigungstechniken ein wenig voraus. Doppelwandige Katalysatorgehäuse mit Überlappschweißungsverbindungen scheinen gegenüber rohrförmig stumpfgeschweißten Ausführungen an Boden zu verlieren, egal ob mit WIG oder Laser ausgeführt. Dies reduziert deren Masse und benötigten Bauraum bei gleichzeitiger Beseitigung der Notwenigkeit an gehärteter Werkzeugbestückung. Ein mit Laser geschweißtes Katalysatorgehäuse kann auch an dessen Enden auf den Rohrdurchmesser heruntergedrückt werden, solange es einer Schweißnachbehandlung z.B. in Form von Tempern oder Glätten der Schweißnaht unterzogen wird.

      Rohrschweißen

      Ein weiterer Bereich in dem Laserschweißen den Konstrukteuren von Auspuffanlagen von Vorteil ist, besteht in der Herstellung von Innenrohren, welche die verschiedenen Kammern vom Schalldämpfer verbinden. In herkömmlicher Weise geschieht dies durch Platzieren vollwandiger Rohre auf eine speziell angefertigte "Stanz"-Maschine. Diese wendet ein stempelloses Stanzen zum Durchlöchern des Rohres an. Mechanische Werkzeugbestückung kann jedoch schwierig zu warten sein und hinterlässt Stanzgrat innen im Rohr, was zu einem Pfeifgeräusch im Betrieb führen kann.

      Laserschweißen von Rohren aus vorgestanzten Stahlcoils lässt ein beliebiges Lochmuster zu, wobei der Grat dabei außen am Rohr plaziert wird.

      Heutzutage verwenden nordamerikanische Hersteller von Schalldämpfern nach wie vor Falznähte auf ihren Schalldämpfern, wohingegen europäische Hersteller das Laserschweißen schneller übernommen haben. Nachdem Gewichtsreduzierung, Abstimmvolumen, Leckraten und Qualitätsansprüche deren Konstruktion weiter vorantreiben, bietet das Laserschweißen einen einzigartigen Satz an Vorteilen, um den künftigen Herausforderungen an die Konstruktion von Auspuffanlagen gerecht zu werden.

      DAN ROBINSON(drobinson(at)weilengineering.com) ist der Vizepräsident von Weil Engineering North America LLC

      Kontakt

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