Pleueltechnologie: Eine Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und Kunden

Warum ist Technologie so interessant? Für mich liegt es daran, dass es sich ständig ändert. Egal was es ist und egal wie gut wir etwas machen, wir streben immer danach, es besser zu machen. Es gibt auch bewährte Technologie, die aus Tests stammt, aber noch wichtiger ist, dass sie in der Praxis eingesetzt und missbraucht wurde – ein Beispiel dafür sind Pleuelstangen.

Ich weiß nicht, dass Pleuel mehr oder weniger Missbrauch standhalten als alle anderen Motorkomponenten, aber es ist sicherlich auf eine andere Art und Weise. Ein kurzer Blick auf die Kräfte, die auf eine Pleuelstange wirken, gab mir eher das Gefühl, dass ich in die fortgeschrittene wissenschaftliche Mathematik einsteige, als etwas über Motorkomponenten zu lernen, aber ich weiß genug, um zu verstehen, dass es nur um Naturwissenschaften und Mathematik geht, also war ich nicht überrascht.

Anstatt zu versuchen, das zu verstehen, hielt ich es für einfacher, die Sichtweise derer einzuholen, die ihren Lebensunterhalt mit Technologie verdienen, und einen Einblick in die neuesten Aspekte des Pleueldesigns zu erhalten. Die erste Etappe meiner Informationssuche führte mich zu CP-Carrillo.

Carrillo Industries, seit seiner Gründung im Jahr 1963 für seine Hochleistungspleuel bekannt, wurde 2008 von CP Pistons übernommen und ist seitdem unter dem Namen CP Carrillo bekannt. Ihre reiche Renngeschichte und ihr Name sind Motorenbauern ein Begriff.

Christoph Wachmann gab mir einen Überblick über die Entwicklung ihrer Pleuel. Ihre jüngsten Fortschritte in der Pleueltechnologie für Drag Racing sind neue, hochfeste Aluminiumlegierungen, Wärmebehandlungen und Prozesswege. Für verschiedene Stahlpleuelanwendungen zählen hochfeste Stahllegierungen, Wärmebehandlungen und Leichtbaukonstruktionen zu den jüngsten Neuentwicklungen. „Und nicht zuletzt gibt es neue konstruktive Ansätze zur Optimierung des Systems als Kolben-Pleuel-Baugruppe“, ergänzte Wachmann.

Historisch gesehen sind die häufigsten Ausfälle auf einen fehlerhaften Schrauben-/Montageprozess zurückzuführen, der zu einer unzureichenden Schraubenklemmkraft führt. Sie sehen auch Balkenausfälle durch Ereignisse mit erhöhtem Zylinderspitzendruck, die auf Klopfen oder Timing-Probleme zurückzuführen sind.

Wenn sie Technologie für neue Stäbe entwickeln, beginnen sie mit einem Design und ihre Testroutine umfasst Finite-Elemente-Simulation, Pulstests und Motortests, die bei Bedarf immer wieder wiederholt werden. „Impulstests können sehr gute Rückmeldungen zu potenziellen strukturellen Problemen geben“, sagt Wachmann. „Motortests sind noch erforderlich, um mögliche dynamische Probleme und den Verschleiß von Kontaktflächen und Lagern zu überprüfen.“

Die größte Herausforderung beim Pleueldesign besteht laut Wachmann darin, mit der Kolben- und Kurbelwellenbaugruppe den besten Kompromiss aus geringem Gewicht, Haltbarkeit und Systemleistung zu finden und diesen Kompromiss innerhalb des begrenzten verfügbaren Raums zu finden.

Bei der Konstruktion von Pleueln spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle, darunter Gewicht und Festigkeit. Wachmann wies darauf hin, dass die Steifigkeit in bestimmten Bereichen sehr wichtig ist, um eine Ovalisierung des Pleuellagers und Lagerverschleiß zu verhindern, und dass auch ihr dynamisches Verhalten (Resonanzfrequenzen) von entscheidender Bedeutung ist, was diese wichtigen Designaspekte ausmacht.

Wachmann sagte, die anspruchsvollsten Leistungssegmente, mit denen sie arbeiten, seien Sprint Cars, Micro Sprint Cars und NHRA Top Fuel. Ein großer Teil des Feedbacks, das sie erhalten und das sich auf die Pleuelkonstruktion auswirkt, dreht sich um den verfügbaren Platz innerhalb eines Motors, der durch andere Komponenten wie Gegengewichte, Öldüsen und Kolbenböden beeinflusst wird.

„Um sich von den Motorenbauern abzuheben, legt CP-Carrillo Wert auf makellose Qualität, wiederholbare Haltbarkeit und geringes Gewicht“, sagt Wachmann.

Was ich von Wachmann gelernt habe, verschaffte mir ein weitaus besseres Verständnis für die Welt der Pleuelentwicklung, als komplexe mathematische Formeln es geschafft hätten, und ich hatte auch eine weitere Etappe der Reise vor mir.

Einen Einblick zu diesem Thema konnte ich von Trip Manley von Manley Performance Products erhalten. Manley Performance ist ein Synonym für die Rennsportbranche und wurde ursprünglich 1966 von Hank Manley gegründet. Die ersten Jahrzehnte ihrer Geschäftstätigkeit waren geprägt von Beziehungen zu Kunden wie Don Garlits, Bo Laws, Joe Mondello, Bill Jenkins und „Jungle Jim“ Liberman.

Trip erklärte, dass die Fertigung für sie ein Schwerpunkt gewesen sei und dass die Verbesserungen des Herstellungsprozesses, einschließlich des dynamischen Fräsens, enorm gewesen seien. Im Laufe der Jahre haben sie eine fehlerhafte Montage der Befestigungselemente und durchgedrehte Lager als Ursache für die meisten Pleuelausfälle verantwortlich gemacht.

Manley Performance verlässt sich auf das Feedback seiner Kunden, um einen Forschungs- und Entwicklungsplan für Pleuel aufzubauen. „Wir hören zu und lernen von unserem ehrgeizigen Kundenstamm, der die Grenzen dieser Motoren und Komponenten immer weiter ausreizt“, sagt Trip.

Das Testen von Pleuelkonstruktionen ist bei Manley Performance ein vielschichtiger Vorgang. „Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist sicherlich nützlich, aber der Schlüssel zur FEA besteht darin, sicherzustellen, dass alle Eingabedaten und Parameter korrekt sind“, sagt Trip. Ich fragte, ob das Testen auf dem Prüfstand von Vorteil sei oder ob es eine gängige Praxis gäbe, und Trip erklärte, dass das Testverfahren je nach Rute selbst und ihrer Anwendung variieren könne.

„Dies ist kein ‚Ein-Schuh-passt-für-alle‘-Prozess“, sagt er. „Frühere Erfahrungen und Designs sind auf jeden Fall nützlich und die Kenntnis der kritischen Bereiche mit hoher Belastung. Dyno-Tests sind hilfreich, aber letztendlich wird die wahre Leistung auf der Rennstrecke gemessen.“

Obwohl es sich nicht um ein neues Material handelt, verwendet Manley in seinen Pleueln legierten 300M-Stahl, wenn eine Steigerung der Festigkeit um 15–20 % erforderlich ist. Die Hersteller müssen jedoch das Gewicht niedrig halten, da Gewicht und Festigkeit zwei Schlüsselfaktoren einer Pleuelstange sind. Aber Zuverlässigkeit ist letztendlich das Wichtigste.

Der legierte 300M-Stahl wird mit einem Verfahren namens Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (VAR) hergestellt. Einfach ausgedrückt: Es entsteht ein sehr hochwertiges Metall. Wenn Metall in einem offenen Ofen geschmolzen wird, werden Gase in der Flüssigkeit gelöst. Dadurch entstehen Verunreinigungen im Metall und können die Festigkeit beeinträchtigen. Beim Einsatz von VAR wird das Metall im Vakuum geschmolzen und unter diesem Vakuum entweichen die Gase aus dem flüssigen Metall, wodurch Verunreinigungen vermieden werden und ein unglaublich starkes Material entsteht. Das ist natürlich ein teurer Prozess, aber er lohnt sich, wenn die Anwendung es erfordert.

Manley Performance bietet Pleuel für alle Bereiche der Branche an und sagt, dass kein einzelner Bereich eine größere Herausforderung darstellt, außer solche, bei denen es Platz- oder Spielbeschränkungen zu überwinden gilt.

„Um uns von den Motorenbauern abzuheben, konzentrieren wir uns auf das richtige Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine juwelenartige Bearbeitung, enge Toleranzen und letztendlich auf Zuverlässigkeit“, sagt Trip. „Kunden wissen, dass sie sich auf Manley-Pleuelstangen verlassen können.“

Wie in vielen Bereichen der Branche arbeiten Motorenbauer und Unternehmen wie Manley und CP-Carrillo zusammen, um leistungsstarke Produkte zu entwickeln. Es sieht so aus, als ob die menschliche Seite der wichtigste Teil bei der Entwicklung der Pleueltechnologie sein könnte.EB