DuPont: Gehäuse aus Hochleistungspolyamid für Kennfeld-Thermostat widersteht komplexer Beanspruchung

Das Gehäuse der kennfeldgesteuerten Temperaturregelsysteme von Behr Thermot-tronik (Kornwestheim, www.behrthermottronik.de), die BMW für seine Vierzylinder-Benzinmotoren der Baureihe N43 einsetzt, ist einer Kombination außerordentlich hoher mechanischer, chemischer und thermischer Belastungen ausgesetzt. Das Hochleistungspolyamid Zytel® HTN von DuPont (www.dupont.de) trägt maßgeblich dazu bei, dass das komplex gestaltete Bauteil die anspruchsvollen Anforderungen dieser Anwendung langzeitig und zuverlässig erfüllt.

Dazu Barbu Frunzetti, Projektleiter bei Behr Thermot-tronik: „Auf Grund der unmittelbaren Nähe des Motorblocks reichen die von außen einwirkenden Temperaturen von –40 °C bis zu plus 150 °C. Zusätzlich ist die Außenfläche den typischen, im Motorraum vorkommenden Medien wie Öle und Fette, Kraftstoffe und Streusalzlösungen ausgesetzt. Im Innern des Thermostatgehäuses fließt das Kühlmittel mit Temperaturen bis zu 140 °C. Dem bis zu 2,5 bar reichenden Innendruck überlagert sich die Vorspannkraft der Thermostat-Rückstellfeder, die sich direkt an der Gehäusewand abstützt. Zusätzlich steht das Gesamtsystem im Betrieb unter permanenter Schwingungsbelastung. In ihrer Gesamtheit überschreiten diese Parameter die Leistungsfähigkeit herkömmlicher, im Motorbereich eingesetzter Polyamide.“

Die verarbeitungsseitig bestehenden Anforderungen grenzen das Spektrum der geeigneten Thermoplaste weiter ein. So müssen sich die spritzgegossenen Gehäusehälften kosteneffizient und sicher verschweißen lassen. Die Festigkeit der resultierenden Nähte muss Berstdrücke ermöglichen, die um ein Vielfaches über dem Nenndruck liegen. Darüber hinaus müssen sich vorgefertigte Kunststoffteile – mit Polyamid 66 umspritzte Anschlussstecker für die elektronische Steuerung – hermetisch dicht umspritzen lassen.

Frunzetti weiter: „In umfangreichen Vergleichstests mit anderen Thermoplasten erfüllte das Hochleistungspolyamid Zytel® HTN 51G35HSLR von DuPont diese komplexen Anforderungen am besten. Das mit 35 Gew.-% Glasfasern verstärkte Polyphthalamid (PPA) kombiniert die geforderte hohe statische und dynamische Festigkeit, die funktionswichtige Dimensionsstabilität in einem breiten Temperaturbereich und die hohe Chemikalien- und Hydrolysebeständigkeit mit sehr guter Fließfähigkeit, hoher Kompatibilität zu PA 66 und ausgezeichneter Eignung für das Vibrationsreibschweißverfahren.“

Bei der Auswahl und Optimierung des Schweißverfahrens arbeitete Behr Thermot-tronik eng mit DuPont zusammen. Dazu Andreas Oldeweme, Market Development Automotive bei DuPont: „Das Gehäuse des Kennfeld-Thermostaten für die BMW Motorenbaureihe N43 ist nach unserer Kenntnis das erste Bauteil seiner Art, das vibrationsgeschweißt wird. Entsprechend umfangreich waren die Vorarbeiten, ehe dieses Verfahren in die Serienfertigung übernommen wurde. In unserem Europäischen Technischen Zentrum in Meyrin bei Genf/Schweiz haben wir zunächst in umfangreichen Untersuchungen verschiedene Schweißverfahren verglichen, darunter auch das Laserschweißen. Letztendlich ergaben sich entscheidende anwendungsspezifische Vorteile für das Reibschweißen. In Zusammenarbeit mit dem Schweißanlagenhersteller hat Behr Thermot-tronik dann die in unseren Versuchen an Probekörpern ermittelten Verfahrensparameter auf das reale Thermostatgehäuse übertragen und so eine ebenso schnelle wie zuverlässige Produktion gesichert.“

Für die einfache Montage ist der Kennfeldthermostat von Behr Thermot-tronik als Modul in Integralbauweise ausgeführt. Er umfasst neben dem eigentlichen Thermostaten auch die Anschlussleitungen für den Einbau in das Kühlsystem sowie den elektrischen Anschluss zwischen Kennfeldsteuerung und Heizwiderstand. Auf diese Weise sind stets ein optimaler Kühlmitteldurchfluss sowie eine sichere Versorgung des Heizwiderstands mit elektrischer Energie gewährleistet. Dabei nimmt er aber kaum mehr Bauraum ein als herkömmliche Integralthermostate.

Frunzetti abschließend: „Auf Grund der umfangreichen anwendungstechnischen Unterstützung durch DuPont und der bisherigen guten Erfahrungen bei der Verarbeitung setzt Behr Thermot-tronik Zytel® HTN inzwischen auch für weitere Kennfeld-Thermostate ein, die teils noch in der Entwicklung, teils bereits in der Serienproduktion sind.“

Hintergrund: „Elektronisch ansteuerbarer Kennfeld-Thermostat“
Konventionelle Kühlsysteme regeln die Kühlmitteltemperatur mittels eines Dehnstoffelements auf eine einzige, in engen Grenzen festgelegte Temperatur von ca. 90 °C. Dies sorgt unter Extrembedingungen wie sehr hohen Außentemperaturen, sehr hoher Fahrzeuggeschwindigkeit und sehr hoher Last für ausreichende Sicherheit vor Motorüberhitzung. Tatsächlich kann ein Kfz-Motor unter regulären Bedingungen jedoch gefahrlos bei 110 °C betrieben werden. Auf Grund der besseren tribologischen Verhältnisse sinken dabei der Reibungsverlust, der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen. Ein elektronisch angesteuerter Kennfeld-Thermostat kann diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden, indem er die Kühlmitteltemperatur in weiteren Grenzen dem Betriebszustand des Motors anpasst. Er hält die Kühlmitteltemperatur bei Teillast auf durchgängig hohem Niveau und sorgt bei Volllast oder hohen Drehzahlen beziehungsweise Außentemperaturen für eine Absenkung und damit für eine diesen Zuständen angepasste Leistungscharakteristik.

DuPont de Nemours (Deutschland) GmbH, Bad Homburg v.d.H.

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