Alternative Fertigungspfade und Bauteileigenschaften von Schraubenrotoren
Final Report Abstract
Stetig steigende Kraftstoffpreise sowie neue Gesetzgebungen hinsichtlich niedriger Emissionsgrenzwerte stärken den notwendigen Fortschritt in der Motorenentwicklung von Kraftfahrzeugen. Eine kontinuierliche Verbesserung konventioneller Antriebskonzepte, die Verwendung hybrider Antriebe oder der kombinierte Einsatz von Brennstoffzellen befinden sich derzeit in der Entwicklung und überschreiten im Vergleich zu einem gewöhnlichen Ottomotor die Kosten um ein Vielfaches. Wirtschaftliche Aspekte erlauben daher eine fortschreitende Entwicklung zur Verbesserung von Downsizingkonzepten. Kleinere Motoren, Steigerung der Leistung und des Motorwirkungsgrades und eine daraus resultierende Gewichtseinsparung lassen die Material- und Herstellkosten des gesamten Verbrennungsmotors sinken. Häufigste Umsetzung im Rahmen des Downsizings ist die Motoraufladung mittels eines vom Abgasmassenstrom angetriebenen Turboladers. Alternative mechanische Aufladetechniken wirken dem bekannten Effekt „Turboloch“ entgegen und weisen ein deutlich dynamischeres Beschleunigungsverhalten und zugleich einen hohen Ladedruck im unteren Drehzahlbereich auf. Ein einfacher Aufbau sowie ein kleines Bauvolumen in Verbindung mit einer hohen Energiewandlungsgüte zeichnen den Schraubenlader als zukunftsträchtige Alternative im Vergleich zu bisher verwendeten Verdrängermaschinen als Aufladegerät von automotiven Verbrennungsmotoren aus. Die bisher geringe Marktpräsenz von Schraubenladern in Serienfahrzeugen ergibt sich aus der komplexen und eng tolerierten Geometrie der Schraubenrotoren, welche sich mit heute üblichen Fertigungsverfahren nicht wirtschaftlich für den Einsatz in Klein- bis Mittelklassewagen produzieren lassen. Umformtechnische Fertigungsverfahren werden heute zur Herstellung von endmaßnahen Geometrien, wie z. B. den Gehäusebauteilen von Schraubenladern, genutzt und bieten bei geringem Zeitaufwand ebenfalls eine Alternative zur Herstellung von Schraubenrotoren. Die Auswahl sinnvoller Fertigungsverfahren zur Herstellung der Laderkomponenten entscheidet im Weiteren die Kostenentwicklung der in Serie gefertigten Schraubenlader-Module und ermöglicht eine marktreife Umsetzung zu wirtschaftlichen Konditionen. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war es, eine Methodik zur Untersuchung der wechselseitigen Abhängigkeiten im Produktentwicklungsprozess zur Herstellung komplexer Bauteile zwischen Fertigungsmethode, Verfahrenskombinationen und Geometrie bei gleichzeitig guten Gebrauchseigenschaften von Bauteilen zu entwickeln. Beispielhaft soll dies an komplexen, eng tolerierten Geometrien, wie sie bei den o.a. Schraubenmaschinenrotoren vorkommen, durchgeführt werden. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Entwicklung einer Prozessführung und abschließenden Erprobung der gefundenen Prozessführung zur Herstellung dieser Geometrien mithilfe unterschiedlicher Verfahrenspfade. Das Beispiel „Schraubenmaschinen- Rotoren“ wurde gewählt, weil dieser noch junge Energiewandler sich an der Schwelle zur Massenproduktion für die Aufladung von Verbrennungsmotoren und später Brennstoffzellen befindet. In der ersten Phase dieses Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass die Umformtechnik zahlreiche alternative Fertigungsmethoden bietet, komplexe Geometrien herzustellen. Bei den in der ersten Förderperiode durchgeführten theoretischen und experimentellen Analysen unterschiedlicher Fertigungspfade haben sich drei potenzielle Verfahren herauskristallisiert, das konventionelle Tordieren von geraden stranggepressten Halbzeugen und das neu entwickelte Verfahren Tordieren beim Strangpressen mit seinen zwei Verfahrensvarianten, intern mit einer vorgesehenen Torsion in der Pressmatrize und extern mithilfe eines Führungswerkzeuges. Diese Verfahren wurden anschließend in Bezug auf die Herstellung von Schraubenrotoren analysiert, um deren Einsetzbarkeit sowie deren Wechselwirkung mit der Rotorgeometrie zu erforschen. Dazu sind experimentelle Versuche sowie FEM-Simulationen durchgeführt worden. Auch erste Prototypen sind hergestellt worden. Allerdings konnten die an den Rotor gestellten maschinenspezifischen Anforderungen, wie die eng tolerierte Geometrie sowie Steigungswinkel noch nicht erfüllt werden, da die Verfahren noch nicht ausgereift sind und weitere, zum Teil auch neue verfahrenstechnische Problemstellungen aufgetreten sind. Diese Problemstellungen wurden in der zweiten Förderperiode mithilfe von vertieften numerischen und experimentellen Untersuchungen weiter erforscht und die geometrischen sowie verfahrenstechnischen Grenzen ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass die drei untersuchten Verfahren schraubenförmige Profile mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen. Als Hauptergebnisse konnte beim internen Tordieren beim Strangpressen die Matrizenform so optimiert werden, dass der Werkstofffluss gleichmäßiger wurde und dadurch der Steigungswinkel sowie die Geometriegenauigkeit deutlich gesteigert wurden. Insbesondere konnte durch Unterskalierung der Rotorgeometrie ein deutlich höherer Steigungswinkel erzielt werden. Weiterhin konnte beim externen Tordieren beim Strangpressen mittels eines externen Führungswerkzeugs nachgewiesen werden, dass es sich um eine Überlagerung der beim Strangpressen herrschenden Druckspannungen und vom Führungswerkzeug eingebrachten Schubspannungen handelt, was zu deutlich niedrigeren Torsionsmomenten und dadurch zu geringen Geometriedeformationen geführt hat. Beim dritten untersuchten Verfahren, dem konventionellen Tordieren, ist eine Betrachtung des Hauptund Nebenrotors aufgrund der vom Steigungswinkel abhängigen Geometrieabweichung unverzichtbar, da die Gesamtabweichung für den Einsatz in Schraubenmaschinen entscheidender ist. Dazu wurde in enger Zusammenarbeit zwischen beiden Forschungsstellen eine rechnergestützte Methode entwickelt, basierend auf dem FE-Programm Ansys, bei der umformtechnische und thermodynamische Eigenschaften von Schraubenrotoren entsprechend den Forderungen eines umformenden Fertigungsverfahrens optimiert werden können. Dies stellte somit eine individuelle Anpassung an besondere Fertigungsmöglichkeiten oder Betriebsbedingungen dar. Der Fokus lag hierbei auf einer Modifikation der geometrischen Darstellungsmöglichkeiten für Schraubenrotorprofile, sodass analytisch bekannte Profilformen genauer abgebildet, aber auch fertigungsgerechte Gestaltungsmerkmale auf die Schraubenrotorprofile übertragen werden können. Als besonders geeignete Darstellungsform erwiesen sich die „non-uniform rational B-Splines“ (NURBS). In Verbindung mit evolutionären Variationsrechnungen konnten paretooptimale Rotorgeometrien unter Berücksichtigung thermodynamischer und erster umformtechnischer Kennzahlen generiert werden. Am Ende der zweiten Förderperiode wurde ein Rotorpaar mittels Strangpressens und anschließenden konventionellen Kaltverdrehens hergestellt, wobei die Endkontur durch eine minimale spanende Bearbeitung erzeugt wurde. Die anschließende Entwicklung und Konstruktion eines Schraubenladers, als Demonstrator, unter dem Aspekt der umformgerechten Herstellung von Schraubenrotoren mit abschließender experimenteller Verifikation führte - trotz unüblicher Parameter der Maschinengeometrie - zu einer Maschine mit vergleichsweise gutem thermodynamischen Betriebsverhalten. In diesem Projekt wurden die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Nutzung von alternativen umformenden Prozessen für die Erzeugung neuer, schraubenförmiger Profile am Beispiel des Schraubenrotors erarbeitet. Bei den drei untersuchten Verfahren konnten Profile mit verschiedenen Eigenschaften hinsichtlich des Steigungswinkels sowie der Geometriegenauigkeit erzeugt werden. Diese Erkenntnisse können auch auf weitere Profilgruppen, zum Beispiel für den Architekturbereich, oder andere Arten von schraubenförmigen Profilen für Pumpen und andere Antriebssysteme übertragen werden. Auch die Kombination dieser drei Verfahren führt zu einer erweiterten Produktpalette, was für die Flexibilität dieser Verfahren spricht. Während nationaler und internationaler Konferenzen und auch bei bilateralen Gesprächen mit Industriepartnern konnte ein sehr starkes Interesse sowohl der Strangpressindustrie als auch der Maschinenhersteller festgestellt werden. Um die erzielten Ergebnisse in die Anwendung zu übertragen, laufen aktuell Planungen für ein Transferprojekt mit potenziellen Industriepartnern. Dadurch wird es möglich, konkrete Fragestellungen für spezielle Anwendungen noch grundlegend zu durchleuchten und das bereits erzielte Wissen zu erweitern.
Publications
- Investigation of interaction between forming processes and rotor geometries of screw machines. International Conference on Compressors and Their Systems, IMechE, London, 2007
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- Recent Developments in the Manufacture of Complex Components by Influencing the Material Flow During Extrusion. Key Engineering Materials Vol. 367, 2008, pp.55-62
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- Rotor Profile Generation and Optimization of Screw Machines using NURBS. 19th Internation Compressor Engineering Conference at Purdue, 2008
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Ben Khalifa, N.; Schikorra, M.; Tekkaya, A. E.
- Geometrische Analyse von Schraubenrotoren für die umformende Fertigung. Dissertation, Maschinenbau, Universität Dortmund 2010
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- Neuere Entwicklungen zur Herstellung von Schraubenrotoren mittels innovativer Umformverfahren. VDI-Berichte 2101, 2010, pp. 55-66
Ben Khalifa, N.; Hauser, J.; Tekkaya, A. E.; Brümmer, A.
- The influence of rotor designs suitable for industrial production on the performance of screw compressors, Schraubenmaschinen. VDI-Berichte 2101, 2010
Hauser, J.; Ben Khalifa, N.; Brümmer, A.; Tekkaya, A. E.
- Geometrical abstraction of screw compressors for thermodynamic optimization. Journal of Mechanical Engineering Science, Proc. IMechE Vol. 225 Part C, 2011
Hauser, J.; Brümmer, A.
- Newest Developments on the manufacture of helical profiles by hot extrusion, Proceedings of the ASME 2011 International Manufacturing Science and Engineering Conference, MSEC2011, June 13-17, 2011, Corvallis, Oregon, USA
Ben Khalifa, N.; Tekkaya, A. E.
