A&T 01+02/2021

1+2 | JANUAR 2021

www.auto-wirtschaft.ch NEWS Gedruckte Radaufhängung integriert Bremssattel Entkopplungslösung für E-Kompressoren

FACHWISSEN Batterietechnik: Chemie im Auto Jede Batterie, jeder Akkumulator funktioniert allein durch Chemie.

Genauer: durch die Redoxvorgänge zwischen verschiedenen Materialien. Auch die Li-IonenAkkus haben etwas damit zu tun.

Grund genug, die Elektrochemie etwas genauer unter die Lupe zu nehmen.

TECHNIK Effizienzmotor Ein Forschungsprojekt zeigt, dass im realen Strassenverkehr mehr als 40 % der im Treibstoff gebundenen Energie genutzt werden können, wenn verfügbare Technologien für den Verbrennungsmotor in Hybridantrieben optimal aufeinander abgestimmt werden.

Leichtbaumotor FEV, ein international führender, unabhängiger Dienstleister in der Fahrzeug- und Antriebsentwicklung, zeigt mit Partnern im Projekt LeiMot (Leichtbau Motor), wie beim Verbrennungsmotor dank additiver Fertigungsmethoden weiter Masse reduziert werden kann.

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FIAT CHRYSLER AUTOMOBILES / FRAUNHOFER IAPT

GEDRUCKTE RADAUFHÄNGUNG INTEGRIERT BREMSSATTEL Bild: Fraunhofer IAPT

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adaufhängungssysteme im Auto bestehen bekanntlich aus zahlreichen Einzelkomponenten wie beispielsweise Radaufhängung, Bremssattel sowie Hydraulik und Hitzeschild.

Bisher werden diese Bauelemente einzeln gefertigt und anschliessend in mehreren Schritten mit Hilfe von Schrauben, Dichtungen und Unterlegscheiben zu einem kompletten, funktionsfähigen System montiert.

Das ist jedoch alles in allem ein komplexer, zeitaufwendiger und teurer Prozess. Fiat Chrysler Automobiles (FCA) und die FraunhoferEinrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT haben nun gemeinsam ein 3D-gedrucktes Radaufhängungssystem mit integriertem Bremssattel für einen FCASportwagen entwickelt.

Der 3D-gedruckte Prototyp mit integriertem Bremssattel wiegt 36 % weniger als die zwölf Einzelteile des bisher konventionell gefertigten Bauteils.

Dazu musste die gesamte Radaufhängung völlig neu gedacht werden, um eine einteilige bionische Struktur zu erschaffen, die alle Funktionen der bisherigen Baugruppe mindestens gleich gut erfüllt, alle Kräfte aufnimmt, gewichtsoptimiert ist und additiv hergestellt werden kann. Das Team hat durch Topologieoptimierung einen Prototyp entwickelt, der 36 % weniger wiegt als die zwölf Einzelteile des konventionell gefertigten Bauteils. Das bionisch optimierte Design reduziert den Montageaufwand, erhöht dank der robusteren Konstruktion die Dauerfestigkeit und soll auch in Bezug auf Geräusch, Vibration und Rauigkeit besser abschneiden. Die intelligente Integralbauweise eliminiert zudem viele typische Schwachstellen und verlängert damit die Lebensdauer. (pd/sag)

VIBRACOUSTIC

ENTKOPPLUNGSLÖSUNG FÜR E-KOMPRESSOREN Bild: Vibracoustic

E

lektro- und Plug-in-HybridFahrzeuge verwenden in ihren Kühlsystemen meist elektrisch angetriebene Kompressoren, um die Innenraumtemperatur zu regeln und sicherzustellen, dass die Batterien innerhalb ihres optimalen Betriebstemperaturbereichs bleiben.

Die Geräusche und Vibrationen, die durch den E-Kompressor erzeugt werden, treten in sehr unterschiedlichen Frequenzen, Ordnungen und Anregungsrichtungen auf. Weiche Standard-Elastomerlager bieten hierfür eine optimale Isolation, sind im Fall des E-Kompressors jedoch nur mit Einschränkungen einsetzbar.

Mit Tests und Simulationen des gesamten Lagerungssystems war Vibracoustic in der Lage, eine Lagerungs- und Montagebaugruppe zu entwerfen, zu entwickeln und

Die von Vibracoustic entwickelte Lagerungs- und Montagebaugruppe eliminiert die Geräusche und Vibrationen elektrisch angetriebener Kompressoren.

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herzustellen, die die entstehenden Geräusche und Vibrationen des EKompressors eliminiert – während das Fahrzeug in Bewegung ist und auch im Stillstand bei Schnellladung.

Erreicht wurde dies durch Optimierung der Lagersteifigkeiten und -positionen. In umfassenden Elastomersimulationen und Tests wurde die ideale Gummimischung bestimmt.

Anschliessend wurde mit eigens entwickelter Software die Geometrie der Gummikomponenten auf minimalen Verschleiss und maximale Lebensdauer abgestimmt. Mit diesem Ansatz konnten Materialien je nach Anwendung individuell ausgewählt und Isolationskomponenten für spezifische Anforderungen einschliesslich Gewichtsreduzierung und Kostenoptimierung massgeschneidert werden. (pd/sag)

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FACHWISSEN 1+2/21 55 Batterietechnik

CHEMIE IM AUTO Jede Batterie, jeder Akkumulator funktioniert allein durch Chemie. Genauer: durch die Redox­ vorgänge zwischen verschiedenen Materialien. Auch die Li-Ionen-Akkus haben etwas damit zu tun. Grund genug, die Elektrochemie etwas genauer unter die Lupe zu nehmen.

Text: Andreas Lerch | Bilder: Mercedes-Benz, Lerch

Oxidation Elektronen abgibt und bei der Reduktion Elektronen aufnimmt.

Ein Stoff kann aber nur oxidieren und Elektronen abgeben, wenn ein anderer Stoff da ist, welcher diese Elektronen auch aufnimmt.

Ein Reduktionsmittel ist ein Stoff, der selbst gerne oxidiert und somit Elektronen abgeben kann. Es hilft, einen anderen Stoff zu reduzieren.

Ein Oxidationsmittel dagegen ist ein Stoff, der gerne reduziert oder Elektronen aufnimmt. Oxidationsmittel helfen, andere Stoffe zu oxidieren, indem sie selbst reduzieren.

Bild 1. Die Akkumulatoreinheit eines Fahrmotors besteht aus verschiedenen Komponenten. Die wichtigste, nämlich jene Komponente, welche die elektrische Energie speichert, ist und bleibt aber die Zelle, in welcher chemische Reaktionen ablaufen.

W

enn im Autobereich von Batterien oder von Starterbatterien gesprochen wird, sind meist Blei-Akkumulatoren ge­meint.

Natürlich ist allen bekannt, dass die­ se «Batterien» wieder auf­ ge­ laden werden können, was durch den Generator während der Fahrt auch ständig passiert. Wiederaufladbare «Batterien» sind in der chemischen Ausdrucksweise aber Sekundärelemente oder Akkumulatoren. Grundsätzlich funktionieren die Batterien und Akkumulatoren durch chemische Redoxvorgänge.

Oxidation und Reduktion Lange Zeit haben wir geglaubt, dass die Oxidation eine Verbindung mit

Sauerstoff, die Reduktion jedoch ein Entzug von Sauerstoff sei. Häufig trifft diese Annahme auch zu. Zu einem Oxidationsvorgang gehört aber grundsätzlich ein Reduktionsvorgang. Im Katalysator oxidieren HC- und COMoleküle zu ungiftigen H2O- und CO2-Verbindungen. Dafür werden die NOx-Moleküle reduziert. Es geschehen also gleichzeitig Oxidations- und Reduktionsvorgänge. Deshalb wird von Redox-Reaktionen gesprochen.

Redox-Reaktionen Da bei der Oxidation Sauerstoff nicht unbedingt im Spiel ist, musste die Definition mit der Aufnahme und Abgabe von Sauerstoff überprüft und überarbeitet worden. Die Definition sagt nun, dass ein Stoff bei der

Daniell-Element Das Daniell-Element ist nach dem britischen Physikochemiker John Frederic Daniell (1790 – 1845) be­nannt und stellt ein galvanisches Element, eine Primärzelle oder eine einfache Batterie dar. Ein galvanisches Element besteht aus zwei Halbelementen.

Beim einen Halbelement erfolgt die Oxidation, beim anderen die Reduktion. Wenn die Reaktionspartner so ausgewählt sind, dass die Reaktionen von selbst ablaufen, spricht man vom galvanischen Element, anderenfalls von einer Elektrolysezelle.

Beim Daniell-Element (Bild 3) besteht die eine Halbzelle aus Zink (Zn) in einer Zinksulfatlösung (ZnSO4), die andere Halbzelle aus einer Kupferelektrode (Cu) in einer Kupfersulfatlösung (CuSO4). Die beiden Flüssigkeiten sind im Behälter durch einen Separator getrennt. Dieser lässt wohl die Ionen passieren, die unterschiedlichen Elektrolyten jedoch nicht. Sobald die beiden Elektroden in einem Stromkreis mit­ einander verbunden sind, laufen die Vorgänge automatisch ab:

Die Elektrode, an welcher die ­Oxidation abläuft, wird Anode ge­nannt: Zn → Zn2+ + 2e– Die Elektrode, an welcher die Reduktion abläuft, wird Kathode genannt: Cu2+ + 2e– → Cu Damit ergibt sich die RedoxReaktion: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu Links vom Pfeil befinden sich die Ausgangsstoffe der Reaktion (Edukte), rechts davon die sich ergebenden Stoffe, die Produkte. Das Kupfer ist auf der Produktseite nicht ionisiert, tritt also metallisch auf. Das Zink ist jedoch als zweifach positives Ion dargestellt.

Sind die beiden Elektroden durch einen Verbraucher miteinander verbunden, ionisieren Zinkatome und gehen als Zn2+ in Lösung. Zurück in der Elektrode bleiben die zwei Elektronen.

Da die Zinkelektrode (Minuspol, Anode) nun gegenüber der Kupferelektrode einen Elektronenüberschuss aufweist, kommt das Bestreben nach dem Elektronenausgleich auf.

Bild 2. Die Wasserstoffhalbzelle ist der Referenzpunkt für die elektrochemische Spannungsreihe.

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Bild 3. Das Daniell-Element besteht aus zwei voneinander getrennten Elektrolyten – einer Zinksulfatlösung und einer Kupfersulfatlösung.

Bild 4. Das Volta-Element weist einen gemeinsamen Elektrolyten auf und ist damit dem Blei-Akkumulator bereits ähnlich.

Erreichen die beiden Elektronen die Kupferelektrode, wird ein Kupferion (Cu2+) aus der Lösung von der Elektrode eingefangen. Die beiden Elektronen neutralisieren das Kupfer­ ion und es kann als Kupferatom die Kupferelektrode «verstärken».

In den Elektrolyten befinden sich nun ein positives Zinkion und ein negatives Schwefelsulfation (es wurde vom positiven Kupferion verlassen).

Dadurch bleibt der Elektrolyt in sich elektrisch neutral. Dazu mussten aber die beiden Elektronen von der Anode zur Kathode wandern. Wäre der Stromkreis nicht geschlossen, würde die chemische Reaktion nicht erfolgen.

In der Chemie wurde eine Referenzzelle bestimmt, welcher willkürlich das Potenzial 0.0 V zugeordnet worden ist. Es handelt sich um eine Wasserstoffhalbzelle. Da mit dem Gas keine Elektrode gebildet werden kann, wurde eine Elektrode gemäss dem Bild 2 gebaut. Dabei wird die Platinelektrode von Wasserstoffgas umströmt.

Nun kann jede beliebige Halbzelle mit dieser Referenzzelle verglichen werden. Bilden die Halbzellen wie beispielsweise die Zinkzelle den Minuspol und oxidieren, dann erhalten sie ein Minus vor die Zahl der Potenzialdifferenz. Stellt jedoch die Wasserstoff-Halbzelle den Minuspol dar und oxidiert, erhält die geprüfte Halbzelle ein Plus vor den Wert – z. B. Kupfer: +0.52 V. Es ist aber eben auch klar, dass das wieder nicht das elementare Kupfer ist, sondern die Reduktion von positiven Kupferionen, welche durch Reduktion zu metallischem Kupfer reagieren.

Edlere und unedlere Metalle Manche Materialien gehen schneller in Lösung als andere. Daraus ergibt sich ein bestimmtes elektrisches Potenzial, das aber nur in Verbindung mit einer anderen Reaktion als Spannung (= Potenzialdifferenz) gemessen wer­ den kann. Es wird dazu immer im einen Halbelement eine Oxidation, im anderen eine Reduktion brauchen.

Das beschriebene Daniell-Element weist eine Spannung von 1.1 Volt auf.

Dabei wird Kupfer reduziert. Es ist aber möglich, dass das Material je nach Reaktionspartner einmal oxidiert und im anderen Fall reduziert. Reagiert die Kupferhalbzelle mit einer Silberhalbzelle, oxidiert Kupfer, und Silber wird reduziert.

Dieses Kupfer-Silber-Element gibt eine Potenzialdifferenz von 0.42 Volt.

Referenzzelle Im Vergleich mit Zink ist Kupfer das edlere, im Vergleich zu Silber aber das unedlere Metall. Es braucht eine exakte Liste, in welcher die unedleren von den edleren Metallen getrennt werden können. Diese Liste wird als elektrochemische Spannungsreihe bezeichnet. In derartigen Listen wird Zink mit –0.76 V angegeben. Das ist aber nicht das Potenzial von Zink als Metall, sondern entsteht, wenn Zink oxidiert, also Elektronen abgibt und zu einem doppelt positiven Ion wird.

Dann kommt es ebenfalls darauf an, woraus die andere Halbzelle besteht, welche in diesem Beispiel reduzieren müsste. Die –0.76 V stehen ja für eine Potenzialdifferenz oder Spannung zu einer anderen Halbzelle.

Volta-Element Alessandro Volta (1745 – 1827) lebte ein halbes Jahrhundert vor Daniell

und vor allem in Italien. Das war in jener Zeit doch ziemlich weit entfernt von England. Auch Volta hat eine «Batterie erfunden». Er steckte zwei Metallplatten (= Elektroden) ebenfalls aus Zink und Kupfer in ein und dieselbe Flüssigkeit (Schwefelsäure).

Sind dabei die beiden Platten nicht miteinander elektrisch leitend verbunden, so passiert nichts. Sobald ein Kabel von der Zinkelektrode zur Kupferelektrode gelegt wird (mit oder ohne Lampe), steigen an der Kupferelektrode sofort Gasblasen auf. Die Chemie kann diesen Effekt erklären: Kupfer ist ein starkes Oxidationsmittel und erwirkt, dass die Zinkelektrode oxidiert. Dadurch gehen Zinkionen in Lösung und die Elektronen strömen durch den Leiter zur Pluselektrode (Kupfer). Ähnlich wie beim Daniell-Element wird jetzt auch das positive Ion aus dem Elektrolyten angezogen, nimmt ein Elektron auf und wird dadurch zu elementarem Wasserstoff. Dieser steigt dann (gasförmig) im Elektrolyten auf und bildet die sichtbaren Blasen. Die Kupferelektrode wirkt bei dieser Reaktion als Katalysator. Auch hier wird

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Bild 5. Chemisch komplizierter – dafür ist die Reaktion im Blei-Akkumulator reversibel und der Akkumulator kann wieder aufgeladen werden.

Bild 6. Auf den ersten Blick sieht die Reaktion sehr einfach aus. Da aber die ­Materialien heikel sind, darf die Gefahr dieser Akkus nicht unterschätzt werden.

die negative Zinkelektrode verbraucht und die Reaktion ist irreversibel (nicht umkehrbar).

seiner Verbindung löst und als Ion durch den Elektrolyten wandert, während die Elektronen den Weg durch den elektrischen Leiter nehmen.

In der Kathode entstehen wieder Lithium-Atome, und diese lagern sich im Kohlenstoffgitter ein. Da Lithium ein sehr starkes Oxidationsmittel ist, werden die Potenzialdifferenzen bei dieser Reaktionsart über 3.5 Volt liegen.

Blei-Akkumulator Nachdem die beiden eben beschriebenen galvanischen Elemente keine technische Bedeutung haben, dafür relativ einfach verständlich sind, bleiben die heute wichtigen Akkumulatoren ziemlich kompliziert.

Natürlich funktioniert der Blei-Akku ähnlich wie ein Volta-Element. Die negative Elektrode besteht aus Blei (Pb) und die positive Elektrode aus Bleidioxid (PbO2). Beide Elektroden reagieren bei der Ladung und der Entladung mit dem Elektrolyten: Die negative Elektrode weist ­gegenüber der WasserstoffHalbzelle ein negatives Potenzial auf und verbindet sich bei der Reaktion mit dem Säurerest des Elektrolyten: Pb + SO42+ → PbSO4 + 2e– | –0.356 V Die Bleielektrode oxidiert und gibt Elektronen ab, gegenüber der

Wasserstoffelektrode ergibt sich eine Spannung von –0.356 V. D ­ iese Elektrode stellt den Minuspol des Blei-Akkumulators dar.

Die Halbzelle PbO2 im Elektro­lyten H2SO4 reduziert und bildet den Pluspol: PbO2 + HSO4– + 3H3O+ + 2e– → PbSO4 + 5H2O | +1.685 V Die Produkte Bleisulfat und Wasser sind uns bekannt, das Edukt PbO2 ebenfalls, die anderen Moleküle sind Zwischenprodukte.

Li-Ion-Akkumulator Auch bei den Li-Ion-Akkumulatoren gibt es Redox-Vorgänge, aber der Elektrolyt besteht aus einer organischen, sauerstofflosen Flüssigkeit, welche zwar an der Reaktion nicht teilnimmt, aber die Li-Ionen von der Anode zur Kathode wandern lässt.

Sauerstofffrei muss der Elektrolyt sein, damit Lithium nicht reagiert. Als Kohlenwasserstoff ist der Elektrolyt dagegen brennbar. Die chemische Reaktion verläuft sehr schnell, weil sich beim Entladen das Lithium aus

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Bemerkungen Da der Elektronenspender (das oxi­dierende Element) als Anode bezeichnet wird, wechselt diese beim Akkumulator zwischen Laden und Entladen.

Walther Nernst (1864 – 1941) war ein deutscher Physikochemiker. Er hat mit der Nernstschen Gleichung definiert, dass die Potenziale der Halbelemente auch von der Konzentration des Elektrolyten abhängig sind. Daneben spielt auch die Temperatur eine Rolle. Aus diesen Gründen weisen Blei-Akkumulatoren eine Ruhespannung von etwas mehr als die chemisch definierten 2.04 Volt auf.

FRAGEN 1. W elcher Pol bildet beim Laden eines Akkus die Anode? a) Pluspol oder b) Minuspol 2. B egründen Sie die Antwort.

3. W elchen Grund vermuten Sie hinter der hohen Zellenspannung eines Li-Ionen-Akkus?

LÖSUNG ZUR AUSGABE 12/2020 1. Das Laufzeug des Turboladers läuft nach dem Abstellen des Motors ­nach.

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58 1+2/21 TECHNIK

Die Ergebnisse aus Fahrzeug- und Motorsimulation werden an einem Einzylinder-Forschungsmotor getestet.

Effizienzmotor

WIRKUNGSGRAD DES OTTO­ MOTORS DEUTLICH GESTEIGERT Ein Forschungsprojekt zeigt, dass im realen Strassenverkehr mehr als 40 % der im Treibstoff gebundenen Energie genutzt werden können, wenn verfügbare Technologien für den Verbrennungs­ motor in Hybridantrieben optimal aufeinander abgestimmt werden.

Text: Stefan Gfeller | Bilder: Peter Winandy (vka / RWTH Aachen), IFS / Uni Stuttgart

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amit die CO2-Flottenemissionsziele im Jahr 2030 erreicht werden können, müssen auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor noch einmal deutlich energieeffizienter werden.

Entsprechende Technologien sind verfügbar, sie werden aber bisher – wohl vorwiegend aus Kostengründen – kaum eingesetzt. Im von der Forschungsvereinigung Verbrennungs­ kraftmaschinen (FVV) initiierten Forschungsprojekt «ICE2025+» untersuchten nun Wissenschaftler in Aachen, Braunschweig, Darmstadt und Stuttgart gemeinsam, wie weit der Wirkungsgrad von Ottomotoren in Hybridantrieben mit Hilfe verschiedener Technologiekombinationen gesteigert werden kann.

Allen untersuchten Antriebssträn­ gen gemein war, dass der Verbrennungsmotor vor allem im Stadtverkehr von einem elektrischen Antrieb er­ gänzt wurde. «Wir haben jedoch alle Tests und Simulationen so ausgelegt, dass sich am Ende der Fahrt noch genauso viel Strom in der Batterie

befand wie zu Beginn», betont Prof.

Dr.-Ing. Christian Beidl, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe an der TU Darmstadt. «Dadurch ist es möglich, genau zu beobachten, wie sich der Wirkungsgrad durch verschiedene Massnahmen am Motor verändert.»

Verschiedene Technologien kombiniert Die Wissenschaftler hatten in einem ersten Schritt gemeinsam definiert, welche technischen Veränderungen am Motor zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führen können.

Dabei wurden zwei Randbedingungen gesetzt: Es sollten nur reife Technologien in Betracht gezogen werden, für die eine Serieneinführung vor dem Jahr 2030 realistisch ist. Und zweitens sollten nicht die einzelnen Technologien untersucht werden, sondern deren Kombination.

Den Hintergrund dafür erläutert Prof.

Dr.-Ing. Peter Eilts, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen der TU Braunschweig: «Eine reine Ad­ dition einzelner Massnahmen ver-

bietet sich, da Wechselwirkungen von Technologien dabei nicht berücksichtigt werden.» Untersucht wurden schliesslich Kombinationen aus variabler Verdichtung und flexiblen Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Steuerung der Ladungsbewegung, Vorkammerzündung, Wassereinspritzung und auch die Auslegung des Motors als Langhuber.

Sparsam auch unter RDE-Bedingungen Zuerst durch Berechnungen, dann durch verschiedene Motorentests wurden die Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch validiert. Danach

wurden weitere Potenziale rechnerisch extrapoliert. Im Anschluss nutzten die Forscher die Versuchs- und Rechenergebnisse, um denTreibstoffverbrauch in verschiedenen Hybridfahrzeugen zu ermitteln; dies nicht nur in dem für die offiziellen Verbrauchsangaben relevanten Prüfzyklus, sondern auch im realen Strassenverkehr. Dafür wurde ein Fahrprofil gewählt, das die Anforderungen an sogenannte RDE-Tests (Real Driving Emissions) erfüllt. «Es ist gelungen, die Technologien so zu kombinieren, dass die Verbräuche unter RDE-Bedingungen niedriger ausfallen als die im WLTPPrüfzyklus ermittelten Werte», sagt Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen.

Gesamtwirkungsgrad: 42 – 46 Prozent Mit dem im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten Effizienzmotor werden in einem hybridisierten Mit­ telklassefahrzeug bereits 42 % der im Treibstoff gebundenen Energie genutzt. Überdies zeigten weitere Untersuchungen, dass der Gesamtwirkungsgrad durch den Einsatz synthetischer Treibstoffe (E-Fuels), die bessere Verbrennungseigenschaften aufweisen, gar auf 46 % gesteigert werden kann.

Schliesslich wurden noch die Potenziale eines mageren Motorbetriebs untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Motorwirkungsgrad in weiten Kennfeldbereichen um zwei bis drei Prozentpunkte gesteigert werden kann. «Damit rückt ein Wirkungsgrad von 50 Prozent in greifbare Nähe», sagt Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Inhaber des Lehrstuhls Fahrzeugantriebe am Institut für Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart.

Im Methanolbetrieb erreicht der neue Effizienzmotor nahezu im gesamten Kennfeld einen Wirkungsgrad von mindestens 40 Prozent.

TECHNIK 1+2/21 59

FEV zeigt, was beim Verbrenner noch möglich ist: über 20 % leichter und Effizienzsteigerung von Motorfunktionen wie Kühlung oder Ölkreislauf.

Leichtbaumotor

LEICHTER UND EFFIZIENTER DANK ADDITIVER FERTIGUNG FEV, ein international führender, unabhängiger Dienstleister in der Fahrzeug- und Antriebsentwicklung, zeigt mit Partnern im Projekt LeiMot (Leichtbau Motor), wie beim Verbrennungsmotor dank additiver Fertigungsmethoden Masse reduziert werden kann.

Text: Stefan Gfeller | Bilder: FEV Group

Eine Vielzahl einzelner Kühlleitungen im Zylinderkopf ersetzen den herkömmlichen grossvolumigen Wassermantel.

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eichtbau bleibt ein wichtiges Instrument, wenn es darum geht, die Kohlendioxidemissionen weiter zu senken – und die Antriebsaggregate tragen einen beachtlichen Teil zur gesamten Fahr­ zeugmasse bei. In Bezug auf die Werkstoffauswahl sind moderne Verbrennungsmotoren mit ihrer Vollaluminium-Bauweise allerdings

bereits «abgemagert», grosse Entwicklungssprünge lassen sich wohl nur noch mit alternativen Herstellungsverfahren realisieren. FEV verdeutlichte deren Potenziale nun im Forschungsprojekt LeiMot. Dabei standen der Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse eines mo­ dernen 2-l-Grossseriendiesels im Mittelpunkt, die – anstatt wie bisher per Aluguss – im selektiven Laserschmelzverfahren (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) hergestellt wurden. «Dieses lässt Bauteile additiv entstehen, sprich: schichtweise auf Basis eines zunächst pulverförmigen Ausgangsmaterials», erläutert Ralf Bey, Leiter des LeiMot-Projekts bei FEV. «Im konkreten Fall war dies die Aluminiumlegierung AlSi10Mg, doch auch Faserverbundkunststoffe wurden berücksichtigt. Die so realisierten Baugruppen bringen circa 21 Prozent weniger Gewicht auf die Waage.»

Zylinderkopf Der neu designte Zylinderkopf spart 2.3 kg Gewicht – das entspricht 22 % – gegenüber der Originalkomponente.

Dazu mussten insbesondere die mechanisch hoch beanspruchten Stellen gezielt verstärkt werden, denn bei der Verbrennung kommt es vor allem zu Biegebelastungen, im Gesamtverbund des Motors hingegen zu Torsionsbelastungen. Das beste Verhältnis aus Gewichtsersparung und Steifigkeit ist die Kombination eines Doppel-T-Trägers (IPB) und eines integrierten, geschlossenen Schubkastens.

Der Zylinderkopf wurde im selektiven Laserschmelzverfahren hergestellt.

Kurbelgehäuse Beim Kurbelgehäuse fiel die Wahl auf das sogenannte Short-Skirt-Design mit einer Alu-Unterkonstruktion (Bedplate). Den Austausch der Stahllagerdeckel gegen das Bedplate wurde durch die reibungsreduzierten Hauptlagerdurchmesser des Grundmotors möglich. Mit dem neu designten Kurbelgehäuse einschliesslich des Bedplates konnte das Gewicht gegenüber der Originalkomponente um 5.1 kg reduziert werden.

Die Schottwände des Kurbelge­ häuses erhielten offene, horizontale Belastungsstrukturen, die ein Kreuzrippenverbund an geeigneten Stellen versteift. Zwei gewichtsreduzierte Verbindungsrohre im Bereich der Ausgleichswellen bringen zusätzliche Verstärkung, und niedrigbelastete Zonen wurden auf Basis von Topologieanalysen durch Gitternetze und Hohlräume optimiert. Zudem sind die Seitenabdeckungen des Kurbelgehäuses aus glasfaserverstärktem Phenolharz ca. 15 % leichter.

Kühlung und Schmierung Die neue Querstromkühlung erlaubt es, die Zylindertemperaturen ziel­gerichtet zu senken und die Wassermenge zu reduzieren. Einzelne Kühlleitungen im Zylinderkopf ersetzen den grossvolumigen Wassermantel. Die Temperaturen in der Brennraumplatte sinken so um bis zu 40 %. Und trotz 40 % weniger Kühlmittel unterschreiten die Wandtemperaturen jene des Referenzmotors deutlich.

Der Ölkreislauf erhielt eine neuartige Leitungsführung, bei der Bögen scharfe Umlenkungen ersetzen, sowie Querschnittsänderungen. Dies verringert den Druckverlust in Zylinderkopf und Kurbelgehäuse um 22 %. Das Ablaufen des Öls im Stillstand wird durch einen umgekehrten Siphon verhindert.

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CARROSSERIE 1+2/21 63

BASF COLOR REPORT 2020: AUTOS WERDEN BUNTER – WEISS BLEIBT TOP Der BASF Color Report 2020 zeigt, dass die Farbpalette bei den Autos bunter wird. Dennoch werden die unbunten Farben Weiss, Schwarz, Silber und Grau noch immer für die Lackierung der meisten Neuwagen verwendet. Und Weiss bleibt die beliebteste Autofarbe der Welt.

D

ie EMEA-Region (Europa, Naher Osten, Afrika) folgt dem weltweiten Trend hin zu bunten Farben.

2020 wurden etwa 11 Prozent der Neufahrzeuge in EMEA blau lackiert, was Blau zum beliebtesten bunten Farbton macht. Violett kam in signifikanter Anzahl auf den Markt und steigert die Vielfalt noch zusätzlich.

Andere chromatische Farbtöne gewinnen ebenfalls an Beliebtheit, besonders bei kleineren SUV, deren Marktsegment wächst.

Ein Teil dieser Vielfalt kommt durch die Bandbreite der Ausgestaltung der Farbnuancen. Im Jahr 2020 verwendeten Automobilhersteller mehr als 160 verschiedene Blautöne für Fahrzeuge in EMEA. Grau lag mit 140 Farbtönen an zweiter Stelle.

Beide Farbräume waren vielfältiger als Weiss, das nur 70 verschiedene Schattierungen aufwies. Dennoch ist in EMEA Weiss mit 28 Prozent die populärste Autofarbe vor Grau (20 %) und Schwarz (18 %).

«Die Farbtonwahl ändert sich mit der Grösse des Fahrzeugs. Violett hat sich beispielsweise bei mit-

telgrossen SUV etabliert, kommt aber bei kleineren oder grösseren SUV nicht in nennenswerter Zahl vor», sagt Mark Gutjahr, Leiter Automotive Color Design, EMEA. «Bei Gelb verhält es sich umgekehrt.

Es wird für sehr kleine und sehr grosse Modelle verwendet, nicht aber im mittleren Segment. Hierbei handelt es sich um spezifische und einzigartige Farbpositionen, die über Teile der Segmente auftauchen.»

scheinen sich nun für Blau oder Grau zu entscheiden. Die Designer von BASF haben das vorausgesehen.

Bereits 2016 bezeichneten sie Blau als «eine wichtige Farbrichtung für die Automobilindustrie, die in den kommenden Jahren Marktanteile gewinnen wird.» Nichtsdestotrotz liegt auch in Nordamerika Weiss (29 %) vor Schwarz (21 %) und Grau (18 %).

Asien-Pazifik: Enorme Farbtonvielfalt Asien-Pazifik beheimatet das weltweit grösste Volumen der Automobilproduktion und ist ein Mikrokosmos der globalen Farbtonbeliebtheit. Während jede Region unterschiedlich ist, spiegeln die Präferenzen des Nordamerika: Blau hat Rot verdrängt asiatisch-pazifischen Raums die weltNordamerikanische Autokäufer ha­ weiten Daten wider. Seine leuchtenben weniger Auswahl bei bunten den Farben reflektieren das AufkomFarbtönen, wählen aber deswegen men chromatischer Farben, das auch nicht weniger bunte Autos, Transpor- anderswo zu beobachten ist. Weiss ter oder SUV. Blau als Automobilfarbe ist nach wie vor die beliebteste Farbe hat in Nordamerika an Beliebtheit in der Region und wird für etwa zugenommen und Rot verdrängt. 48 Prozent der Neuwagen genutzt.

Beige und Braun sind nahezu von Schwarz (16 %) und Grau (9 %) der Bildfläche verschwunden. Da­ - legen weiter zu und folgen einem mit bleibt Grün der einzige weitere Drei-Jahres-Trend, der Weiss in chromatische Farbton, der in nennens- seiner Führungsposition schwächt. werter Zahl in der Region verwendet Die Gesamtzahlen von Braun, Grün wird. Blautöne gelten als eleganter, und Violett sind nicht hoch, aber alle und Käufer, die in der Vergangenheit bleiben in ihrer Beliebtheit konstant.

Beige oder Braun gewählt haben, Es wird noch lange dauern, bis sie

Weiss als beliebteste Farbe herausfordern werden, aber aktuell tragen sie zur enormen Farbtonvielfalt in Asien-Pazifik bei.

Südamerika: Konservativere Farbtöne Farben wie Rot und Blau, die in anderen Regionen der Welt so beliebt sind, sind in Südamerika nach wie vor gefragt, vor allem bei Autokäufern, die versuchen, ihrer Individualität mit sportlicheren Autos Ausdruck zu verleihen. Noch bemerkenswerter ist die Vorliebe des Marktes für achromatische Farbtöne.

Traditionell wählen südamerikanische Autokäufer eher konventionelle, weniger auffällige Farben.

Wie in anderen Regionen ist Weiss mit Abstand der Favorit. Etwa 39 Prozent der Neufahrzeuge wurden weiss lackiert. Die Beliebtheit von Grau und Silber ist mit jeweils 18 Prozent höher als in anderen Regionen. In Südamerika sticht Rot als beliebtester bunter Farbton hervor.

Verschiedene Blautöne haben welt­weit eine grosse Bedeutung, in Südamerika aber macht Blau nur einen kleinen Teil aus. Orange ist ein Newcomer, Braun hält sich konstant und Beige ist fast verschwunden. (pd/mb) www.basf-coatings.com

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AKZONOBEL-AUSBILDUNGS-COLLEGE: MEHR BIETEN, MEHR BEKOMMEN Das Acoat-Selected-Ausbildungs-College bietet den Lernenden die Chance, ihr Potenzial und ihre Kompetenzen über das ­Fach­liche hinaus zu erweitern. Und die Betriebe können damit die ­Attraktivität der Ausbildung steigern.

F

ür eine wachsende Zahl der Carrosseriebetriebe stellt sich die Frage, wie gewinne und binde ich Lernende an mein Unternehmen? Die Zeiten, als die Bewerber für einen Ausbildungsplatz im Handwerk Schlange standen, sind lange vorbei. Stattdessen geht der Kampf um die Ressource «Nachwuchskraft» in die nächste Runde.

Gianni Willauer, Technischer Trainer ­AkzoNobel Schweiz.

Über den Tellerrand hinausblicken Es gibt viele Optionen für Betriebe, ihre Attraktivität für Bewerber zu steigern. Eine nachweislich gute Ausbildung – mit spezieller Förderung – ist dabei ein sehr erfolgversprechendes Argument, weiss Gianni Willauer, Technischer Trainer AkzoNobel Schweiz: «Neben der

Vertiefung technischer Kenntnisse geht es im Ausbildungs-College auch darum, die sozialen Komponenten des Geschäftslebens zu fördern, erste Einblicke in Führungsqualitäten zu vermitteln und sie in die Schlüsseldisziplinen Kundenservice und Kundenkontakt einzuführen. Ein Lehrling, der über den Tellerrand blickt, bekommt ein Verständnis dafür, wie ein Betrieb ganzheitlich funktioniert. Das motiviert und entfaltet neue Fähigkeiten.»

Themen, darunter Werkzeuge, Materialien und Reparaturmethoden für Qualitätsreparaturen sowie sicheres, nachhaltiges und wirtschaftliches Arbeiten und vieles mehr.

Innere Stärke geben, um den Alltag mit Eigenverantwortung zu meistern Zudem befassen sich die Seminar­ inhalte eingehend mit sogenannten Business Skills, «dies sind Inhalte zur persönlichen Entwicklung der Teilnehmer, die explizit für Beruf und Karriere benötigt werden», erklärt Gianni Willauer, «die Fähigkeit zu Umfassendes Wissen vermitteln Die Lernenden werden über den Selbstorganisation, aber auch die gesamten Zeitraum ihrer Ausbil- Entwicklung des eigenen Selbstdung in einer Gruppe zusammen bewusstseins können trainiert und trainiert. Angelehnt an den Aus­ gefördert werden. Wir wollen die bildungsrahmenplan wird die Pra­­- Lernenden nicht nur fachlich vo­ xisnähe grossgeschrieben. Das ranbringen, sondern ihnen die in­Ausbildungs-College besteht aus nere Stärke geben, ihren Alltag mit drei Seminareinheiten, die aufein- Eigenverantwortung und Motivation ander aufbauen. Jede Einheit bietet zu meistern.» (pd/mb) umfassende Wissensvermittlung zu den wichtigen fachspezifischen www.akzonobel.com

VOM HANDWERKER ZUM UNTERNEHMER Handwerker, die im Betrieb eine Führungsrolle übernehmen wollen, müssen vieles wissen, was ihnen bisher fremd er­ schienen ist. Wer den Schritt wagt, sollte den Lehrgang «Vom Handwerker zum Unternehmer» von Carrosserie Suisse ­besuchen.

C

hef zu sein, klingt gut, ist aber in vielen Fällen mit einer längeren Liste von Dingen verbunden, die es zu erledigen gilt. In der Regel kommt man neu mit Bereichen des Unternehmens in Kontakt, die einem bisher fremd erschienen.

Wie steht es zum Beispiel um die Bilanz- und Erfolgsrechnung des Unternehmens? Wie muss man sich in einem Mitarbeitergespräch verhalten? Was ist nötig für eine Marktanalyse?

Berufsleute in der Führungsrolle Beim Schritt in die Führungsverantwortung oder Selbstständigkeit genügt es eben nicht, sein Berufshandwerk zu beherrschen. Man übernimmt neu die Verantwortung

für zahlreiche Aufgaben aus den Bereichen Personalführung, Marketing, Betriebswirtschaft und Finanzen.

Der Lehrgang «Vom Handwerker zum Unternehmer» vermittelt die Grundkompetenzen, um ein Unternehmen erfolgreich zu führen. Die Zielgruppen sind Fachleute in der Carrosseriebranche, die in naher Zukunft Verantwortung als Unternehmerin/Unternehmer übernehmen wollen, und Unternehmerinnen/ Unternehmer, die ihre betriebswirtschaftlichen Kenntnisse auffrischen wollen. Der Lehrgang vermittelt aber auch wertvolle Kompetenzen für alle, die Teams oder Abteilungen führen. Dieser Lehrgang ist Teil des Weiterbildungskonzeptes, das Carrosserie Suisse organisiert und durchführt. (mb)

Vom Handwerker zum Unternehmer Datum: 5. März 2021 – 19. Juni 2021 Ort: Seminarräumlichkeiten Carrosserie Suisse, Zofingen

Anmeldung: events.carrosseriesuisse.ch; Betriebswirtschaftliche Kurse Für Rückfragen Reto Hehli, Projektverantwortlicher Weiterbildung Telefon: 062 745 31 97 reto.hehli@carrosseriesuisse.ch www.carrosseriesuisse.ch

Kosten: Kompletter Lehrgang 3108 Franken.

Für Fachleute aus dem Carrosseriegewerbe 2400 Franken (dank Unterstützungsbeiträgen der Carrosseriebranche). Kosten für einzelne Module auf Anfrage.

Kursleitung: Roland A. Roth ist ein erfahrener Referent und Branchenkenner.

Er steht den Teilnehmenden auch nach dem Trainingsangebot für digitales Coaching zur Verfügung.

Zertifikat: Die Teilnehmenden erhalten ein Kursattest.

Vom Handwerker zum Unternehmer in dreieinhalb Monaten.

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DREI BÄUME PRO JOB: DIE FUCHS GMBH TUT WAS FÜR DIE UMWELT Die Fuchs GmbH feierte 2020 das 50-jährige Firmenjubiläum. ­Wegen Corona wurde die Feier abgeblasen. Und auch die ­geplante Aktion, für jeden Auftrag drei Bäume zu pflanzen, konnte nicht durchgeführt werden. Das soll nun 2021 nachgeholt werden.

April (oben): Solar-Renner im australischen Outback.

Juni (unten): Formula-StudentRennwagen «Alvier» in Zürich.

W

AXALTA-KALENDER 2021: EINE HOMMAGE AN DEN MOTORSPORT Lackanbieter Axalta lässt mit dem Wandkalender «Brilliantly Fast» die Herzen von Motorsport-Fans im Jahr 2021 höher­ schlagen. Der Kalender würdigt den Studentenrennsport und die professionellen Teams, die 2020 grossartige Erfolge erzielt haben.

A

xalta kann mit seinen Premium-Reparaturlackmarken Cromax, Spies Hecker und Standox auf eine lange Geschichte im Rennsport zurückblicken. Axalta ist offizieller Teamlieferant des siebenfachen Formel-1-Konstrukteurs-Weltmeisters Mercedes-AMG Petronas und strategischer Partner von Toyota Gazoo Racing Europe, des MonsterEnergy-Yamaha-MotoGP-Teams sowie des Hendrick-MotorsportsNascar-Teams. Zudem unterstützt das Unternehmen diverse FormulaStudent-Teams in Europa im Rahmen seines Axalta-Bright-FuturesProgramms, das die aktive Beteiligung in den Fächern Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik (MINT) fördert.

12 spektakuläre Motive Jedes der Motive des «Brilliantly Fast»-Kalenders setzt die Designlackierung, die aerodynamische Form oder Strassenlage des ab­ge­bildeten Fahrzeugs auf der Renn-

strecke perfekt in Szene. BluePoint, Gewinner der Bridgestone World Solar Challenge 2019 – das Aprilmotiv – zeigt den Boliden des belgischen Agoria-Solar-Teams bei der Durchquerung des australischen Outbacks. Auch Alvier, der ElektroRennwagen des AMZ-Racing-Teams der ETH Zürich, darf nicht fehlen und schmückt das Kalenderblatt im Juni. Die Kooperation zwischen der ETH Zürich und Cromax Schweiz als Lackpartner fand 2020 zum dritten Mal statt. Alvier soll in der im Juli 2021 beginnenden Saison an verschiedenen europäischen Formula-Student-Rennen an den Start gehen. Die SeptemberAufnahme zeigt den Rennwagen Mercedes-AMG F1 W11 EQ auf der Rennstrecke vor einem orange leuchtenden Sonnenuntergang, lackiert mit Spies-Hecker-Produkten.

Spies Hecker ist seit über sieben Jahren offizieller Lacklieferant des Formel-1-Teams. (pd/mb) www.axaltaracing.com

er die drei Brüder Pirmin, Silvio und Patrik Fuchs kennt, weiss, dass sie sich immer etwas Aussergewöhnliches einfallen lassen. So natürlich auch zum Firmenjubiläum. Der Natur zurückzugeben, was sie ihr in ihrem täglichen Geschäft nehmen, war der Plan.

Seit 20 Jahren Lacke auf Wasserbasis Die Fuchs GmbH, Carrosserie und Spritzwerk, aus Schachen (LU) setzt sich seit langem auch für die Umwelt ein. So benutzen bei­spielsweise die Lackierer seit über 20 Jahren Lacke auf Wasserbasis. Zum Firmenjubiläum 2020 wollten die drei Brüder für jeden vergebenen Reparaturauftrag dem Projekt «Plant for the Planet» drei Bäume spenden. Corona machte dem hehren Plan aber einen Strich

durch die Rechnung. Das soll nun in diesem Jahr nachgeholt werden.

Michaela Lussi: erfolgreiche Mitarbeiterin Silvio, Pirmin und Patrik Fuchs ver­ stehen ihr Handwerk und geben es auch an die Jugend weiter.

Neben der Professionalität und dem Umweltschutz legen sie auch grossen Wert auf die Ausbildung von Nachwuchskräften, was die hervorragenden Leistungen von Lackiererin Michaela Lussi beweisen. Sie belegte im Finale der Swiss Skills Championchips 2020 den guten 7.

Platz. Auch schon seit 37 Jahren darf Spies Hecker das innovative Team mit Produkten beliefern und es in seinem täglichen Geschäft unterstützen. Für diese Treue bedankt sich der Lacklieferant herzlich und gratuliert zum 50-jährigen Jubiläum. (mb) www.spieshecker.ch

Axalta / Spies Hecker gratuliert zum Firmenjubiläum. Von links nach rechts: Franz Hildbrand (AD Axalta Schweiz), Pirmin, ­Silvio und Patrik Fuchs, Thomas Nussbaum (GL Axalta Schweiz).

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LESEN SIE IN DER AUSGABE 3/2021: & Wirtschaft

&Technik

TITELTHEMA Sommerreifen AUTO&Wirtschaft stellt die Sommerreifen-Highlights vor.

WIRTSCHAFT Klimaanlagen und Klimaservice Die Klimaanlagenwartung ist ein einträgliches Geschäft.

Lagersysteme Einrichtungen und Strategien für ein geordnetes Lager.

Tuning Trends aus dem Bereich der Fahrzeug-Individualisierung.

SCHWERPUNKT FACHWISSEN Mobilität und Antrieb von morgen Wie sieht die nähere Zukunft des privaten Verkehrs aus? Von den Staaten auferlegte Schadstoffbestimmungen auf der einen, Kohlendioxid-Restriktionen auf der anderen Seite – und trotz allem verlangen die Kunden Fahrspass, Komfort und Sicherheit. Der österreichische Entwicklungsdienstleister AVL hat dazu Daten zusammengetragen und wagt Prognosen zu den Fahrzeugkonstruk­ tionen der Zukunft.

Lackierkabinen und Lacktrends 2021 In der ersten Ausgabe des neuen Jahres setzt AUTO&Carrosserie den Schwerpunkt auf Lackieranlagen und Lacktrends. Zum einen spüren wir die neusten Trends bei den Lacken auf. Einer davon ist, dass die Produkte laufend verbessert werden und noch schneller zu applizieren und vor allem zu trocknen sind. Zum anderen stellen wir die neusten Lackierkabinen, Multiarbeitsplätze sowie innovative Technologien bei der Lackaufbringung vor.

NEU: DAS ULTIMATIVE NACHSCHLAGEWERK FÜR E-MOBILITÄT

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• Einzigartige Verbindung von Print & Online • Fokus auf elektrifizierte Antriebsarten (BEV, Hybrid, Plug-in-Hybrid und Wasserstoff) • Erscheinung: 1x jährlich als Sonderbeilage zu aboutFLEET 03/21 und zu AUTO&Wirtschaft 05/21 • Druckauflage: 21’000 Exemplare

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