Case History: Unterer Querlenker aus ADI900-8

Querlenker für Lkw aus austemperiertem Gusseisen ADI

Unterer Querlenker aus ADI900-8: die Alternative zu geschmiedetem Stahl für ein leichteres, stärkeres und leistungsfähigeres Bauteil

Diese Case History beschreibt die Realisierung eines unteren Querlenkers aus ADI900-8 austemperiertem Gusseisen.

Traditionell entwerfen Hersteller von Radaufhängungssystemen, wie unser Kunde, untere Querlenker dieser Art aus geschmiedetem Stahl (42CrMo4 Q&T), der unter Konstrukteuren ein viel bekannteres Material ist. Unser Kunde entschied sich trotz allem, was „üblicherweise“ gemacht wird, diesen schwingenden Querlenker von Anfang an in ADI900-8 austemperiertem Sphäroguss zu konstruieren, um dessen mechanische und fertigungstechnische Eigenschaften voll auszunutzen, ohne Schmiedestahl in Betracht zu ziehen.

Industrielle Anwendungen eines Querlenkers

Die Funktion des schwingenden Querlenkers besteht darin, Stöße und Beschleunigungen, die während der Fahrt auf das Fahrzeug einwirken, zu dämpfen, den Fahrkomfort zu erhöhen und die Sicherheit der Fahrgäste zu gewährleisten.

Er kann bei Lkw, Bussen, Industriefahrzeugen oder Spezialfahrzeugen mit einer Tragfähigkeit von mehr als 9 Tonnen pro Achse eingesetzt werden. Die Verwendung von ADI-Gusseisen anstelle von geschmiedetem Stahl ermöglicht es, die Gesamtabmessungen zu kompaktieren, das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und seine Tragfähigkeit zu erhöhen, was eine längere Lebensdauer des Fahrzeugs gewährleistet.

Nach der Consolidated Resolution on the Construction of Vehicles (R.E.3), Revision 6[1], werden diese Fahrzeuge in die folgenden Makrokategorien eingeteilt: 2.2 M: Fahrzeuge zur Personenbeförderung und 2.3 N: Fahrzeuge zur Güterbeförderung.

Vorteile (qualitativ und quantitativ) von austemperiertem ADI-Gusseisen im Vergleich zu Stahl bei der Konstruktion eines unteren Querlenkers

Gewichtsreduzierung

Das ADI900-Gusseisen wiegt 10 % weniger als die Alternative aus geschmiedetem Stahl, wodurch das Gewicht des endgültigen Bauteils optimiert werden konnte.

Bessere Leistung für das Fahrzeug

Mit der ADI-Gusslösung konnte die Tragfähigkeit des Fahrzeugs erhöht und der Radverschleiß verringert werden.

Geringeres Risiko der Rissbildung

Das Risiko der Rissbildung bei ADI-Güssen (mögliche Bruchauslöser) während der Wärmebehandlung beim Austempering ist gleich Null oder geringer als bei 42CrMo4-Stahllösungen nach der Wärmebehandlung.

Design Freedom (komplexe und präzise Formen)

Weniger mechanische Bearbeitungen sind erforderlich, um das fertige Produkt zu erhalten, was zu geringeren Kosten führt. Der Gießereiprozess garantiert eine höhere Fertigungspräzision des Rohbauteils mit einer Form, die dem bearbeiteten Bauteil sehr nahe kommt.

Erhöhte Flexibilität des Produktionsprozesses

Das Schmiedeverfahren erfordert größere Produktionslosgrößen (Stücke/Los) während das Gießverfahren flexibler ist und kleinere Lose entsprechend den Kundenanforderungen herstellen kann.

Warum ADI-Gusseisen für den unteren Querlenker eines Lastkraftwagens wählen?

In der Konstruktionsphase benötigte unser Kunde einen unteren Querlenker mit mechanischen Eigenschaften, die eine Ermüdungsbeständigkeit gewährleisten, die für die langen Lebenszyklen geeignet ist, denen diese Art von Bauteil ausgesetzt werden sollte. Die Ermüdungsgrenze σAG; PS50% bei 430 MPa des ADI900-8 war daher angemessen.

Dies war die grundlegende technische Anforderung, um auch ein Sicherheitsniveau zu gewährleisten, das den für diese Art von Anwendung geforderten Normen entspricht (Querlenker sind Automotive- und Sicherheitsbauteile) und gleichzeitig den Verschleiß der Fahrzeugräder zu verringern.

Da es sich um ein Sicherheitsbauteil handelt, war einer der Faktoren, die den Kunden dazu veranlassten, ADI-Gusseisen als Material für die Konstruktion des Querlenkers zu wählen, die Notwendigkeit, die Bildung von Oberflächenrissen während des Produktionsprozesses zu verhindern oder zumindest zu minimieren, da Risse bei einem Bauteil, das Ermüdungen standhalten muss, wie ein Querlenker, eine natürliche Gefahr für das Versagen darstellen.

Bei der Austempering-Wärmebehandlung ist aufgrund einer weicheren Salzbadabschreckung (1) als bei der Wasser- oder Ölabschreckung, der vergütete Stähle im Allgemeinen unterzogen werden (2), das Niveau der induzierten Restspannungen sehr niedrig, was das Risiko der Bildung von Oberflächenrissen im Vergleich zu 42CrMo4-Stahllösungen erheblich verringert. Für diejenigen, die Sicherheitsbauteile konstruieren, ist dies ein großer und wichtiger Konstruktionsvorteil.

1 – Austempering

„sanftes“ isothermisches Härten: Hierbei wird ein Bad aus flüssigen Salzen (bestehend aus Wasser, Nitraten und Nitriten) zwischen 250 °C und 400 °C als Abschreckmedium verwendet, das es ermöglicht, über dem Martensitstart zu bleiben und so die Bildung von Martensit zu vermeiden.

2 – Vergüten

Abschrecken in Wasser oder Öl: In diesen Fällen wird der Stahl sehr schnell abgeschreckt, wobei entweder Wasser mit einer Temperatur von ca. 50°C oder Öl mit einer Temperatur von ca. 200°C als Abschreckmedium verwendet wird, in beiden Fällen unterhalb der Martensit-Starttemperatur, was dann zur Martensitbildung und damit zur Gefahr der Rissbildung führt (deshalb folgt nach dem Abschrecken immer die Härtungsphase).

Für den unteren Querlenker verwendetes Material vor der Verwendung von ADI

Technologie
Material
Rp0,2
Rm
A5
HB
Ermüdungsgrenze
σAG; PS50%
Schmieden
42CrMo4
1000 MPa
1100 Mpa mini
13%
302
500 MPa

Neue Version: Material in ADI900-8

Technologie
Material
Rp0,2
Rm
A5
HB
Ermüdungsgrenze
σAG; PS50%
Schmelzen
EN-GJS-900-8 (ADI900-8)
600 MPa
900 MPa
8%
280 - 340
430 MPa

Zug- und Ermüdungsprüfung an Proben aus separat gegossenen Probekörpern mit Ø25 mm. Die Ermüdungsgrenze auf glatten Oberflächen (R-1) wurde durch Testen glatter Proben, die mit einem Durchmesser von 6,5 mm mit der Short Stair Case-Methode bearbeitet wurden (Auslauf bei 5 ml Zyklen), erhalten. In Wirklichkeit hat das Stück eine variable Dicke

Konstruktionsmethoden und Techniken beim Vergleich von Schmiedestahl (42CrMo4 Q&T) mit ADI900-8

Der in dieser Case History beschriebene untere Querlenker aus Gusseisen ADI900-8 für Lastkraftwagen wiegt etwa 47 kg.

Der ADI-Guss aus austemperiertem Sphäroguss wird auf einer automatischen horizontalen Linie mit Grünsand hergestellt und anschließend einer Austempering-Wärmebehandlung unterzogen. Nach der Behandlung wird das Gussteil der mechanischen Bearbeitung unterzogen, die notwendig ist, um das fertige Bauteil zu erhalten. Die ADI-Gusslösung eines schwingenden Querlenkers für Radaufhängungen ermöglicht es, die mechanischen Bearbeitungsschritte zu minimieren, dank der Gestaltungsfreiheit, die Gusseisen bietet und die die Entwicklung eines Rohlings mit einer optimierten Morphologie ermöglicht, die der Form des fertigen Bauteils sehr nahe kommt (Net-to-Shape).

Der gleiche Querlenker mit einem Gewicht von etwa 50 kg hätte in geschmiedetem Stahl nur mit Hilfe einer sehr leistungsfähigen Presse durch ein sehr energieintensives Schmiedeverfahren hergestellt werden können. Außerdem hätte mehr Material abgetragen werden müssen, um das fertig bearbeitete Bauteil zu erhalten, da ein geschmiedetes Bauteil im Gegensatz zu einem Gussstück aus der Gießerei nach dem Schmieden eine Rohform hat, die noch weit von der Form des endgültigen, bearbeiteten Bauteils entfernt ist.

Fallbeispiel

Wahre Fälle, die von der Realisierung der Kundenprojekte erzählen