„Durch die enge Zusammenarbeit gleich zu Beginn des Designprozesses ist es uns gelungen, hochwertige Komponenten zu attraktiven Preisen zu entwickeln. Sie bildeten die tragende Säule für die erfolgreiche Einführung einer brandneuen aktiven Aerodynamik des Tier-One-Systemlieferanten Flex-NGate im meistverkauften Pickup der Welt“, sagt Marius Brand, Produktmanager Aktive Aerodynamik der Flex-Tochter Mirror Controls International. Der Automobilzulieferer – abgekürzt MCi – ist ein führender Anbieter von Steuerungstechnik für Aussenspiegel. Er stellt auch Kameraüberwachungssysteme und natürlich die Steuerungen für die aktive Aerodynamik her. MCi liefert mehr als 80 Millionen Geräte pro Jahr. Mit seinen ca. 1.200 Mitarbeitern beliefert MCi die grossen Namen der Branche und ist als wichtiger Entwicklungspartner tätig. Bei der Zusammenarbeit mit Angst+Pfister ging es um ein Steuerungselement für die Aerodynamik des Ford F-150 – laut Hersteller „der robusteste, innovativste und vielseitigste Pickup-Truck, der je vom Band lief“. Zur Verbesserung der Aerodynamik werden ab einer bestimmten Geschwindigkeit unterhalb des vorderen Stossfängers des Geländewagens Spoiler ausgefahren, um die Luftströme optimal umzuleiten (siehe Abbildung). Der entstehende geringere Luftwiderstand verbessert die Kraftstoffeffizienz. Früher wurde diese Funktion von einem statischen Element übernommen – ein Kompromiss zwischen optimalem Windwiderstand bei höheren Geschwindigkeiten und maximalem Spielraum bei langsameren Fahrten durch das Gelände. Die neue aktive Aerodynamik sorgt bei eingefahrenem Frontspoiler für maximale Freiheit in unwegsamem Gelände und senkt den Kraftstoffverbrauch auf glattem Asphalt.
Drei Komponenten für bahnbrechende Aerodynamik
MCi beauftragte Angst+Pfister mit der Entwicklung, Fertigung und Lieferung von zwei Radialwellendichtungen und einer Federbalgeinheit für den kleinen Elektromotor zur Steuerung der aktiven Aerodynamik. Die Dichtungen sind in der Antriebseinheit des Systems installiert, während die Federbalgeinheit die Spindel zur Bewegung des Frontspoilers schützt (siehe Zeichnung). „Das war ein sehr interessantes Projekt für uns, weil wir unsere Stärken unter Beweis stellen konnten: hauseigenes Design, Finite-Elemente- Analyse, schnelle Prototypenentwicklung, Muster, Logistik auf drei Kontinenten und Massenproduktion – und das alles in exzellenter Qualität“, freut sich Jan Boomsma, Product Application Engineer für Dichtungstechnik bei Angst+Pfister in den Niederlanden.
Aktive Aerodynamiksysteme müssen langlebig und äusserst zuverlässig sein – auch bei grossen Temperaturunterschieden von minus 40 bis plus 85 Grad Celsius. Der Frontspoiler wird etwa 300.000 Mal ein- und ausgefahren. Auch muss das System im Wasser lecksicher sein. Dazu sind die Schutzarten IP67 und IP69K erforderlich. Das heisst, es muss absolut staubdicht sein und sogar hohem Wasserdruck standhalten. Die Aerodynamiksteuerung wird in einer Stückzahl von jährlich 1,6 Millionen produziert. Ausserdem muss sie dem PPAP (Genehmigungsprozess für Fertigungsteile) der Automobilindustrie entsprechen. Nach diesem Abnahmeverfahren müssen die in der Serienproduktion gefertigten Teile exakt den Zeichnungen entsprechen. MCi fordert eine Qualität von 50 PPM: von einer Million produzierter Teile dürfen höchstens fünfzig aussortiert werden. Für die Dichtungen von Angst+Pfister bedeutet das konkret, dass wir bei der Qualitätskontrolle mit einer vollautomatischen Sortiermaschine 100 % der Teile vermessen müssen.
Innovative Ansätze zu günstigen Preisen
„Natürlich spielte auch der Preis eine Rolle. Deshalb war das Design für uns eine ziemliche Herausforderung“, erinnert sich Jan Boomsma. Aus Kostengründen bot Angst+Pfister eine reine Gummidichtung ohne Metallverstärkung an, nachdem die ersten entwickelten Dichtungen noch edelstahlverstärkt gewesen waren. Doch Jan Boomsma und sein Team suchten nach einer zusätzlichen Lösung und entschieden sich schliesslich für eine Verstärkung aus Karbonstahl. „Das war dank einer speziellen Konstruktion möglich, bei der alle Metallteile mit Gummi überzogen wurden, um Korrosion zu verhindern“, erzählt Jan Boomsma. Damit erfüllte Angst+Pfister alle Qualitäts- und Kostenanforderungen. Als Kunde war Marius Brand von diesem Ansatz beeindruckt: „Jetzt haben wir eine integrierte Lösung mit zwei Funktionen in einem Bauteil. Die obere Dichtung dient sowohl der Abdichtung als auch der Vorspannung. Auf diese Weise wird ein zusätzliches Teil überflüssig.“ Für die Federbalgeinheit verwendeten die Ingenieure einen EPDM, der auch bei niedrigen Temperaturen hält. Das Design musste die starke Biegekraft aus Kompression und Expansion des Federbalgs ausgleichen, damit die Zuverlässigkeit gewährleistet bleibt. Zugleich wurde eine gewisse Rauheit der Oberseite gefordert, um ein Anhaften im komprimierten Zustand zu verhindern.
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«Das war ein sehr interessantes Projekt für uns, weil wir unsere Stärken unter Beweis stellen konnten: hauseigenes Design, Finite-Elemente-Analyse, schnelle Prototypenentwicklung, Muster, Logistik auf drei Kontinenten und Massenproduktion – und das alles in exzellenter Qualität.» Jan Boomsma, Product Application Engineer Sealing Technology, Angst+Pfister Niederlande |
Schnell entwickelte Prototypen
Die Prototypen mussten in kürzester Zeit verfügbar sein. „Normalerweise braucht man etwa zehn Wochen, wir konnten nach vier Wochen liefern“, berichtet Enrico Koggel, Product Application Engineer bei Angst+Pfister in den Niederlanden. Besonders vorteilhaft für die Angst+Pfister-Ingenieure war die Tatsache, dass alle Designs aus eigenem Hause kamen. Nach den ersten Tests wurde das Design nochmals verfeinert, um die Temperaturbeständigkeit zu verbessern. Dann konnten die Werkzeuge für die Prototypen gleich über die hauseigene Produktionsplattform hergestellt werden. MCi hat dann ihre Haltbarkeit und Installationsfähigkeit auf Herz und Nieren geprüft. Nach weiterer Optimierung konnte mit der Arbeit an der Herstellungsform für den PPAP begonnen werden. Sobald die entsprechende Genehmigung vorlag, stand einer Serienproduktion nichts mehr im Wege. Enrico Koggel ergänzt: „Angst+Pfister unterhält mehrere Produktionsplattformen auf mehreren Kontinenten, damit immer andere Produktionsstätten aushelfen können, wenn es knifflig wird. Trotz der Coronakrise war das aber zum Glück nicht nötig.“
Auch Marius Brand von MCi kann nur Positives berichten: „Der Zeitplan für den Prototyp war ambitioniert, aber wir sind sehr zufrieden mit der Qualität der Arbeit und der Produkte. Sie erfüllen alle Anforderungen und haben alle Validierungstests erfolgreich bestanden.“ Besonders die technische Unterstützung durch Angst+Pfister vor Ort in den Niederlanden wurde von MCi sehr geschätzt. Dazu gehörten in den jeweiligen Projektphasen die Durchführung von Berechnungen und Simulationen anhand der Prototypen, die Reaktion auf Testergebnisse und die korrekte Anpassung der Designs, so Marius Brand.
Die Dichtungen (grün) liegen innerhalb des
Antriebsgehäuses (beige). Der Federbalg
(schwarz) schützt die Spindel (weiss). Diese
bewegt die Luftklappen (rot).
Mehr Informationen über unsere Dichtungen und Federbälge für die Aerodynamik
veröffentlicht: 08.03.2022, 14:38:00 von: Angst+Pfister Magazin2022