4. Meilenstein im Triebwerk-Leichtbau: BMW setzt Magnesium in der Großserie ein

BMW setzt erstmals im modernen Motorenbau Magnesium in der Großserien-Fertigung eines wassergekühlten Kurbelgehäuses ein, außerdem für das neue Bedplate und für die Zylinderkopfhaube. Die damit und mit zahlreichen weiteren Maßnahmen erzielte Reduktion des Motorgewichts um 7 Prozent (10 kg) leistet einen wichtigen Beitrag zur weiteren Erhöhung der Agilität und Dynamik von BMW Automobilen.

Bild: BMW 6-Zylinder-Ottomotor mit VALVETRONIC

Der außerordentliche Gewichtsvorteil durch die Verwendung von Magnesium ist in der Dichte des innovativen Werkstoffs begründet: Magnesium ist in reiner Form etwa 30 Prozent leichter als Aluminium (Dichte Aluminium 2,68 g/cm3, Magnesium 1,81 g/cm3, Stahl 7,87 g/cm3).

Der revolutionäre Einsatz der Magnesium-Aluminium-Verbundtechnologie stellt einen Meilenstein im Motorenbau dar. Er ist ein schlüssiges Element in einer Reihe von Leichtbau-Innovationen bei BMW Automobilen und ein richtungweisender Beitrag zum hohen technologischen Standard, der das Unternehmen insgesamt auszeichnet.

Effiziente Dynamik – das ist die Verwirklichung der Freude am Fahren für anspruchsvolle Zielgruppen unter Berücksichtigung der heutigen technischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen. Im Rahmen dieses langfristigen BMW Konzepts war beim R6 die Gewichtsreduzierung als Mittel zur Steigerung der Freude am Fahren ein vorrangiges Entwicklungsziel.

Stärker, sparsamer, leichter. BMW R6 in allen Punkten besser.

Neuer Bestwert mit 1,18 kW/kg. 10 kg leichter als der Vorgänger. Neue Werkstofftechnologien wie der Magnesium-Aluminium-Verbund, Leichtbau-Krümmer und Leichtbau-Nockenwellen führen beim R6 – trotz der Leistungssteigerung und der Verbrauchsreduzierung durch VALVETRONIC – zu einem Gewichtsvorteil von 10 kg gegenüber dem Vorgänger-Motor.

Mit 1,18 kW/kg Motorgewicht setzt der R6 neue Maßstäbe in der Leistungsdichte. Der neue BMW Motor ist mit 161 kg Gesamtgewicht der leichteste Sechszylinder der Welt in dieser Leistungsklasse, im Wettbewerbsumfeld bildet der innovative R6 auch die neue Benchmark für das Package aus Leistung, Verbrauch, Laufruhe, Performance und Einsatz innovativer Technologien. Damit ist die neue Grundmotorkonstruktion auch eine solide Basis für eine zukunftsorientierte Sechszylinder-Baureihe.

Das weltweit erste Magnesium-Aluminium-Verbund-Kurbelgehäuse.

Das Kurbelgehäuse des neuen BMW 3,0 Liter-Ottomotors ist das mit Abstand leichteste Sechszylinder-Kurbelgehäuse aus Großserien-Produktion weltweit. Als größtes Einzelbauteil des Motors leistet es einen wesentlichen Beitrag zur Gewichtsreduktion des R6 von insgesamt 10 kg gegenüber dem Vorgänger-Triebwerk. Das neue Aluminium-Verbund-Kurbelgehäuse wiegt nur 57 Prozent eines vergleichbaren Grauguss-Blocks, der Gewichtsvorteil gegenüber einem Aluminium-Kurbelgehäuse beträgt 24 Prozent.

Bild: BMW Werk Landshut, Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuse, schematisch

Neben der in dieser Form erstmaligen Verwendung des Werkstoffs Magnesium ist den BMW Spezialisten auch bei der Anwendung im Kurbelgehäuse ein technischer Durchbruch gelungen. Nur die jetzt verwendete Kombination aus Magnesium-Mantel und Aluminium-Insert erfüllt die hohen Anforderungen an Steifigkeit, Akustik und Langlebigkeit. BMW ist damit der erste Hersteller eines wassergekühlten Verbrennungsmotors, der die erheblichen Gewichtsvorteile von Magnesium nutzt und gleichzeitig die Nachteile des Leichtmetalls überwunden hat.

Ein Kurbelgehäuse, das ausschließlich aus reinem Magnesium oder einer konventionellen Magnesiumlegierung besteht, ist für den Serieneinsatz bei Hochleistungsmotoren nicht geeignet. Es weist zu geringe Stabilität
auf, zudem ist die Oberflächenbeschaffenheit von Magnesium für die Zylinderlaufflächen ungeeignet.

Aluminium-Insert innen, Magnesium-Gehäuse außen. Reduktion von Bauteilen und Montageaufwand.

Der innere Teil des Kurbelgehäuses im R6, das Insert aus Aluminium, umfasst die Zylinderlaufbuchsen und die Kühlmittelführung im Bereich des Motorblocks. Das Insert sorgt für die erforderliche Stabilität bei den hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Direkt auf das Insert aufgeschraubt wird der Zylinderkopf, der untere Bereich des Inserts ist als Oberteil der Kurbelwellenlagerung ausgebildet.

Das Insert wird über die gesamte Bauhöhe fugendicht vom Magnesium-Gehäuse umschlossen. Dieses besteht aus einem einzigen Umgussteil und nimmt die Ölführung sowie die meisten Aufnahmen und Halterungen für die Nebenaggregate auf. Dadurch reduzieren sich die Zahl der Teile, das Gewicht und der entsprechende Montageaufwand in diesen Bereichen.
Gleichzeitig führt die Integration der Aufnahmen und Halterungen zu einer erhöhten Steifigkeit der Nebenaggregate-Anbindung. Das wiederum bedeutet akustische Vorteile für das Gehäuse insgesamt und bei den Anbindungen der Nebenaggregate insgesamt.

Zusätzlich ist der Räderkastendeckel im Gussteil des Magnesium-Gehäuses integriert. Bei der Motorenmontage wird dann der gesamte Kettentrieb einfach als Modul in den Kettenschacht an der Motor-Stirnseite gesteckt und fixiert. Die Verschraubung des Räderkastendeckels und die aufwändigen Abdichtungsaufgaben zum Zylinderkopf und zum Kurbelgehäuse hin entfallen vollständig.

Vom Sport in die Serie. Magnesium-Bedplate als tragende Konstruktion des Motors.

Bild: BMW Werk Landshut, Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuse, Aluminium-Insert in Druckguss-Werkzeug

Das Bedplate aus Magnesium ist Bestandteil der zentralen Rahmenstruktur des neuen R6. Es ist daher vergleichsweise massiv und ebenfalls als Werkstoffverbund ausgeführt. Das Bedplate gewährleistet höchste Struktur- und Torsionssteifigkeit ebenso wie Dauerfestigkeit der R6-Motorkonstruktion. Durch die Teilung bzw. Verschraubung des Kurbelgehäuses auf der Kurbelwellenlagerebene werden hier Schwingungen ideal abgefangen und dadurch auch Vorteile in der Akustik erzielt.

Aus Gründen der sportlichen Performance wurde die Höchstdrehzahl des R6 auf 7.000 min–1 angehoben (+ 500 min–1). Die im Motorsport für die dort herrschenden Belastungen bewährte Bedplate-Konstruktion empfahl sich daher auch aus diesem Blickwinkel für die Serie.

Auf das Bedplate wird von oben das Kurbelgehäuse mit dem oberen Teil der Kurbelwellenlager aufgesetzt. Das untere Gegenstück der Kurbelwellenlager ist im Bedplate integriert. Die Kurbelwelle läuft auf Sinterstahl-Einlegern, die mit Magnesium umgossen werden.

Die Abdichtung zwischen Bedplate und Kurbelgehäuse wird mit einer Flüssigkeitsdichtung sichergestellt. Die Dichtmasse wird nach der Verschraubung von Bedplate und Kurbelgehäuse unter Hochdruck in eine Nut in der Kontaktfläche zwischen den beiden Bauteilen eingespritzt.
Die Verschraubung der Motortrageböcke geht in das Bedplate und in das Kurbelgehäuse.

Magnesium-Zylinderkopfhaube.

Bild: BMW 6-Zylinder-Ottomotor mit Valvetronic - Magnesium Zylinderkopfhaube

In konsequenter Weiterverfolgung des Leichtbaus wird beim R6 auch die Abdeckhaube des Zylinderkopfs aus Magnesium gefertigt.

Integration des Werkstoffs Magnesium in das System Motor. Natürliche Gegensätze technisch bewältigt.

BMW hat die chemische Unverträglichkeit von Magnesium und Wasser erfolgreich bewältigt. Das Kühlwasser kommt mit dem Magnesium-Mantel des Kurbelgehäuses nicht in Berührung, es wird ausschließlich im Aluminium-Insert geführt.

Für Verschraubungen in die Magnesium-Bauteile werden spezielle Aluminium-Schrauben verwendet, weil Magnesium und Aluminium ähnliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aluminium-Schrauben sind zudem ein weiterer Mosaikstein bei der umfassenden Gewichtsreduzierung des Triebwerks. Das ähnliche Verhalten von Magnesium und Aluminium im Bereich des Schmelzpunkts ist auch beim Umgießen des Aluminium-Inserts mit Magnesium ein wesentlicher Qualitätsfaktor.

Quelle: BMW Presse-Information vom 23.06.04

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