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5. Mechanik und Elektrotechnik

5.1 Universell und doch speziell – Keramik im Automobil

• Elke VitzthumCeramTec AGLauf a. d. Pegnitz

Die Folien finden Sie ab Seite 359.

Sicher von A nach B kommen oder einfach nur Spaß am Fahren ha-ben. Mobilität ist ein Menschheitstraum. Dabei übernimmt Hochleis-tungskeramik im Automobil wichtige Aufgaben und sichert das Zusam-menspiel von Bauteilen, auch unter höchsten Belastungen und inGrenzbereichen.

Die Anforderungen bewegen sich hin zu reduziertem Verschleiß, Ver-meidung von Korrosion, verbessertem Fahrkomfort, reduziertemVerbrauch und erhöhter Sicherheit. Eine Antwort dazu geben gezielteingesetzte Werkstoffe/Werkstoffkombinationen wie Keramik.

Der Einsatzbereich von Keramik im Automobil ist vielfältig, deshalbkann hier nur ein Auszug aufgezeigt werden.Hochleistungskeramik bietet als innovativer und leistungsfähiger Werk-stoff eine Vielzahl an Möglichkeiten. Keramik verleiht Produkten undKomponenten einen echten Mehrwert durch bessere Funktionalität,höhere Zuverlässigkeit und Verlängerung der Lebensdauer.

Einsatzbeispiele finden sich im Motormanagement, in der Fahrzeug-elektronik und auch in der Lichttechnik.Im folgenden sollen einige ausgesuchte Beispiele den breiten Einsatz-bereich von Keramik im Automobil aufzeigen.

Sehen und gesehen werden spielt für die Sicherheit eine wesentlicheRolle. Starke Temperatureinwirkungen über lange Betriebszeiten unterUV-Belastung erfordert in hochwertigen Halogenlampen die Verwen-

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dung keramischer Sockel und Halterungen. Keramik garantiert somitfür lange Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit.

Piezokeramische Sensoren übernehmen im Automobil wichtige Mess-und Steuerfunktionen.Eine enorme Hilfe beim Einparken bieten Abstandssensoren. Einpiezokeramischer Wandler sendet einen kurzen Luft-Ultraschallimpuls,der vom Hindernis reflektiert und vom gleichen Piezowandler wiederempfangen wird. Über die Laufzeitmessung kann die Entfernung zumHindernis bestimmt werden.Klopfsensor: Bereits geringste Veränderung im Motorbetrieb gegen-über dem zulässigen Bereich in der Motorcharakteristik werden vompiezokeramischen Sensor erkannt. Beginnt der Motor zum Klopfen,regelt die Elektronik den Zündzeitpunkt nach. Durch diese intelligenteMotorsteuerung kann die Verbrennung immer sehr nah an der Klopf-grenze betrieben werden. Das Ergebnis ist eine Senkung des Kraft-stoffverbrauchs.

Im Motorenbereich sind Komponenten höchsten Belastungen wie Tem-peraturschwankungen und Erschütterungen ausgesetzt. In den Kraft-stoffpumpen kommen Seitenplatten, G-Rotor oder Peripheralräder ausAl2O3 zum Einsatz. Denn chemische Beständigkeit, Verschleiß- undTemperaturbeständigkeit und auch gute tribologische Eigenschaftenspielen hier für die optimale Funktion eine wesentliche Rolle.

Moderne Dieseltechnik ist ohne Common-Rail nicht mehr denkbar. Inder Hochdruckpumpe arbeiten keramische Ventilplatten aus Siliziumnit-rid unter einem wechselnden Druck von bis zu 1.500 bar. Sie garantie-ren für höchste Verschleiß- und Formbeständigkeit und reduzieren derbewegten Massen.

Keramik findet sich auch in der Abgasregelung. Über die Abgasklap-pen wird speziell in der Warmlaufphase des Motors die Bypassmengedes Abgasströme reguliert. Die Betriebstemperatur beträgt dabei ca.500°C. Für die Abgasklappe kommt eine keramische Lagerbuchse zumEinsatz, da herkömmliche Werkstoffe in diesem Umfeld versagen. Der

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Werkstoff Zirkonoxid mit seinen hervorragenden thermischen Eigen-schaften und seiner Korrosionsbeständigkeit bot die Lösung zur ein-wandfreien Lagerung der Abgasklappe.

Ein breites Feld der Anwendung auch im Automobil finden Gleitringeaus Keramik. Gerade in der Kühlwasserpumpe steigen die Anforde-rungen der Hersteller hinsichtlich Funktionssicherheit, Lebensdauer undDichtigkeit. Nur mit der Gleitpaarung Keramik/Kohle konnten die Anfor-derungen erfüllt werden. Je nach Applikation kommen die WerkstoffeSiliziumcarbid oder Aluminiumoxid zum Einsatz.

Leichtbaumaterialien gewinnen in unserer modernen Welt, insbesonde-re in der Verkehrstechnik, eine immer größere Bedeutung und öffnenneuen und innovativen Produkten den Weg in den Markt. Allerdingsstößt der Leichtbau dort an seine Grenzen, wo er hohen tribologischen,mechanischen oder thermischen Belastungen standhalten muss. DieLösung liegt in der Verstärkung von Leichtmetallbauteilen an genau denStellen, die am stärksten beansprucht werden. Lokales Werkstoffengi-neering ist das Schlagwort, die entstehenden Werkstoffe werden Metal-Matrix Composites (MMCs) genannt. Ein Beispiel dafür stellt die Zylin-derlauffläche des Porsche Boxsters und Porsche 911 dar. Die Zylin-derlauffläche wird mit Siliziumpartikel verstärkt, um die Laufeigenschaf-ten zwischen Kolben und Zylinderlaufwand zu optimieren (siehe auchVortrag MMCs).

Ein weiteres Anwendungsfeld für Piezotechnik bietet die Dieseldirekt-einspritzung. Dort kommen Piezo-Aktoren zum Einsatz. Mit Kräften imkN-Bereich und möglichen Ansprechzeiten von 1 ms sind sie anderenAntrieben weit überlegen. Durch die hohe Energiedichte des Werkstoffskann die hohe Leistung bereits mit kleinsten Aktorvolumen erreichtwerden.

Durch die Presse sind keramische Bremsen als neue Errungenschaftist in aller Munde. Die Vorteile liegen auf der Hand. Die keramischeBremsscheibe ist nicht nur härter als die herkömmliche Grausguss-scheibe, sondern auch leichter und korrosionsfrei. Zusätzlich bleibt der

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Reibwert über die Zeit konstant, was zu gleichmäßigem guten Brems-verhalten führt und damit insgesamt die Fahrsicherheit erhöht!.

Warum also Keramik im Automobil ?

Keramik ist härter als Metall oder Kunststoff, daneben chemische stabilund korrosionsbeständig. Keramik ist leichter als Stahl und zeigt deut-lich bessere Temperaturbeständigkeit gerade dann, wenn es heiß wird.

Keramik bietet somit für weitere fortschrittliche Lösungen in der Zukunfthervorragende Perspektiven.

Die verwendeten Vortragsfolien (Nr. 1 bis 21) finden sich auf denfolgenden Seiten.

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Folie 1

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