ENTWICKLUNG Ottomotoren

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Der Hochleistungs-antrieb für denBMW X5 4.6is

Der BMW X5 4.6is ist die neue Topversion der erfolgreichen X5-Baureihe.Er verbindet die Geländetauglichkeit des X5 4.4i mit den Eigenschafteneines sehr sportlichen Straßen-Fahrzeugs. In diesem Beitrag sind diewichtigsten Merkmale des neuen 4,6-l-Motors beschrieben, der eineWeiterentwicklung des bewährten V8-Motors des X5 4.4i ist.

1 Einleitung

Seit Serieneinführung im Oktober 1999verzeichnete der X5 einen Markterfolg, deralle Erwartungen übertraf. Es gelang BMWauf Anhieb, in die Fahrzeugkategorie der4x4 SUV`s mit einem eigenständigen Kon-zept (SAV) einzudringen und die Klassebezüglich Fahrdynamik zu dominieren.Das BMW Konzept unterscheidet sich vonden Wettbewerbern im Wesentlichendurch das dynamische und agile „On-Road“-Verhalten. Die Fahrleistungen unddie Höchstgeschwindigkeit der Variantemit 4,4-l-V8 Motor und Fünfgang-Automa-tik unterscheiden sich nur wenig von denBMW-V8-Limousinen.

Bereits kurz nach Erstanlauf begannenbei BMW die Überlegungen zu einem„Hochleistungs-X5“ als Top-Variante paral-lel zur bestehenden V8 4.4-l-Basis-Varian-te. Die Inspiration dazu lieferte der X5 LeMans-Prototyp mit V12-Motor und 750 PSsowie 700 Nm, Bild 1.

Marktanalysen zeigten, dass die Nischenoch nicht besetzt war und eine ausrei-chende Nachfrage zu erwarten ist. Inner-halb weniger Wochen entstand eine Kon-zept- und Machbarkeitsstudie, bei der dieFirma Alpina unterstützend mitwirkte.Kurz darauf war der Projektauftrag für denX5 4.6is erteilt. Das ehrgeizige, zusätzlicheZiel war es, das Fahrzeug innerhalb von 16Monaten auf den Markt zu bringen.

2 Zielsetzung

Es galt ein SUV-Fahrzeug darzustellen, dasein in dieser Klasse bislang unbekanntes

Fahrerlebnis garantiert. Durch äußerstdirekte Rückmeldung des Antriebs ein-schließlich einer sportlich akustischenPräsenz des Motors sollten Fahrleistungenund Agilitätswerte geschaffen werden,wie sie sonst nur von BMW-Sport-Limousi-nen mit Handschaltgetrieben bekanntsind.

Dazu wurden Motor, Automatik-Getriebe und Antriebsstrang hinsichtlichfolgender funktionaler Ziele überarbeitet:■ Steigerung der Fahrleistung■ kompromissloses dynamisches An-sprechverhalten ■ Beibehaltung des Komforts wie X5 4.4i■ Sound dem Fahrzeugcharakter ange-passt ■ Emissionszertifizierung wie X5 4.4i.

Dabei sollte das Antriebskonzept des X54.4i in den wesentlichen Komponentenübernommen werden.

3 Fahrleistungs-MaßnahmenMotor

Der Motor ist eine Weiterentwicklung desbewährten V8-Aggregates des X5 4.4i [1],[2], [3].

Die wesentlichen Maßnahmen zurLeistungssteigerung sind:■ Hubraumsteigerung von 4,4 auf 4,6 l■ höhere Oktanzahl des Auslegungskraft-stoffs (ROZ95 auf ROZ 98) und Verdich-tungssteigerung (10,0 auf 10,5 )■ Optimierung von Ventil-Steuerzeitenund Ventilhub, Bild 2■ Entdrosselung der Luftführung mittelsZusatzluftklappe im AGD und Optimierungdes vorderen Luftführungsteils, Bild 3

■ Entdrosselung Abgasführung: Ver-größerung Rohrdurchmesser, Katalysatormit Dünnwandkeramik, Bild 4.

Das Resultat aller Motor-Maßnahmenist eine Steigerung der Leistung um 21 Pro-zent von 210 kW auf 255 kW, Bild 5. Dasmaximale Drehmoment stieg von 440 auf480 Nm.

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Die Autoren

Dipl.-Ing. (FH) Carl-Wolfgang Lipp istProjektleiter AntriebBaureihe X5, BMWAG.

Dipl-Ing. Hans-StefanBraun ist Abteilungs-leiter EntwicklungTriebstrang, BMWAG.

Dipl.-Ing. JohannSchopp ist Abteilungs-leiter Konstruktion-Versuch Achtzylinder-Motoren, BMW AG.

Dipl.-Ing. AndreasMüller ist Abteilungs-leiter FunktionenVier- und Achtzylin-der-Motoren, BMWAG.

Bild 1: Prototyp X5 Le Mans V12 6.0 l / 750 PS / 700 Nm Mai 2000Figure 1: Prototype X5 Le Mans V12 6.0 l / 750 PS / 700 Nm may 2000

1 Einleitung

Die Grenzdrehzahl konnte von6100/min auf 6500/min erhöht werden.Die Drehmomentunterschiede erreichenbei 6000/min bis zu 100 Nm.

Parallel zur Leistungsabstimmung allerKomponenten wurde speziell auf einebetont sportliche akustische Präsenz desV8-Motors bei höheren Drehzahlen geach-tet.

4 Fahrleistungs-MaßnahmenKraftübertragung

Mehr Zugkraft in allen Gängen wurdedurch die Verkürzung der Achs-Überset-zungen sowie durch Neugestaltung derFahrprogramme im D-, S- und M-Moduserreicht.

Um das Potenzial des Motors voll zu nut-zen, ist es notwendig, dass das Getriebe denMotor auf höheren Drehzahlen hält und dassdie höheren maximalen Drehzahlen desMotors beim Wechsel der Gänge ausgenutztwerden. Dazu wurden bei Automatik-Getrie-be und Achsgetrieben folgende Veränderun-gen vorgenommen:■ Achsübersetzungen etwa 7,5 % kürzer■ Schaltpunkte bei 6500/min statt 6000/min.

5 Realisierung sportlichesAnsprechverhalten

Das Fahrzeug X5 4.6is sollte fühl- und mess-bar deutlich besser „am Gas hängen“. Zielwar es, das Ansprechverhalten eines Sport-fahrzeugs mit manuellem Schaltgetriebezu erreichen. Die Maßnahmen hierzu sind:■ Reduzierung des Wandlerbetriebs■ frühzeitiges Schließen der Wandler-kupplung ■ sportliche Auslegung des S-Programms ■ hohes Drehzahlniveau bei Teillastbe-schleunigung ■ optimale Rückschaltspontaneität ein-schließlich 5-3 Rückschaltungen in derTeillast■ keine Fahrertypadaption in S■ in M-Modus kein fünfter Gang wählbar■ kein Kick-down für nmax notwendig.

Bild 6 zeigt den Verlauf einer Teillast-Beschleunigung bei 30 % Last mit X5 4.4iund X5 4.6is. Die Gänge werden beim X54.6is deutlich länger gehalten. Die Schalt-punkte wurden dazu deutlich verändert.

Bereits ab 50 km/h wird in den Gängen3, 4 und 5 die Wandlerkupplung geschlos-sen (im M-, D- imd S-Programm).

Der Fahreindruck ist emotional geprägtdurch Spontaneität, V8-Motoren-Akustikund sportliche Beschleunigung. Vermitteltwird ein Fahrerlebnis vergleichbar miteinem Sportfahrzeug mit Handschaltge-triebe.

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Bild 2: Vergleich Ventiltrieb X5 4.4i und X5 4.6isFigure 2: Comparison valve train X5 4.4i and X5 4.6is

3 Fahrleistungs-Maßnahmen Motor

Bild 3: Luft-ansaugung –ÄnderungenFigure 3: Air intake –modification

Bild 4: Abgasanlage – ÄnderungenFigure 4: Exhaust system – modifications

6 Fahrdynamik und Fahrkomfort

6.1 Fahrzeug Schwerpunkt:Konstruktion Allrad-AntriebsstrangEin wesentliches Entwicklungsziel beimX5 war, dass dieses Fahrzeug im Vergleichzum Wettbewerb in dieser Klasse überüberragende „On-Road“-Fahreigenschaf-ten verfügen sollte – dies gilt natürlich inganz besonderem Maße auch für dieHochleistungsvariante. Gleichzeitig soll-ten aber auch keine Kompromisse beimAntriebskomfort (Akustik, Schwingun-gen) eingegangen werden.

Die geforderten herausragenden Fahr-leistungen (zum Beispiel Rundenzeitenam Nürburgring, die sonst nur von Sport-wagen erreicht werden) können aber nurrealisiert werden, wenn das Gesamtfahr-zeugkonzept hierfür ausgerichtet ist.

Speziell die in dieser Fahrzeugkategoriesonst übliche hohe Lage des Fahrzeug-schwerpunktes ist für solche Ziele außer-ordentlich hinderlich. Das Gesamtgewichtdes Antriebes beträgt etwa 25 % des Fahr-zeugleergewichtes und stellt damit einewesentliche Einflussgröße für die Schwer-punkthöhe dar. Hieraus leitete sich dieForderung nach einer möglichst tiefenLage im Fahrzeugnetz ab.

Das Vorderachsgetriebe, Bild 7, solltedaher so kompakt wie möglich an derÖlwanne montiert werden, das heißt sonahe wie möglich an der Kurbelwellesowohl in Y- als auch in Z-Richtung.

Dies erfordert einen Durchtrieb einerder beiden Abtriebswellen für die Vorder-achse durch die Ölwanne, so nahe wiemöglich an der Kurbelwelle und mit mini-malem Freigang. Aufgrund der sehr unter-schiedlichen Öle von Motor und Achsge-triebe ist diese Welle in einem Rohr zuführen, das gegenüber dem Motorölhaus-halt hermetisch abgedichtet ist.

Die Montage des Vorderachsgetriebesan der Motorölwanne mit den hohen ein-geleiteten Kräften und Drehmomentenverändert die Anforderungen an diesesBauteil grundlegend: Die Ölwannemutiert vom Behälter für Schmierstoffzum hochbelasteten Bauteil mit tragenderFunktion, ohne Kompromisse hinsichtlichDichtheit eingehen zu können.

Das Resultat dieser Konstruktion isteine in dieser Klasse sehr tiefe Position derAntriebskomponenten und damit verbun-den eine sehr tiefe Schwerpunktlage desFahrzeuges.

Dieses Konzept ist zwar aus dem Pkw-Bereich bekannt, stellt aber im SUV-Seg-ment ein absolutes Novum dar. Diebekannten Lösungen basieren entweder

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3 Fahrleistungs-Maßnahmen Motor

5 Realisierung sportliches Ansprechverhalten

6.1 Fahrzeug Schwerpunkt: Konstruktion Allrad-Antriebsstrang

Bild 5: Pe/Md X5 4.6is und X5 4.4iFigure 5: Pe/Md X5 4.6is and X5 4.4i

Bild 6: Beschleunigungsvergleich X5 4.6is X5 4.4i bei 30 % GaspedalstellungFigure 6: Acceleration comparison X5 4.6is versus X5 4.4i at 30% throttle position

Bild 7: Konstruktion Ölwanne mit DifferentialFigure 7: Design oilpan and differential

auf Vorderachsgetrieben, die in einemHilfsrahmen oder am Fahrschemel sepa-rat aufgehängt sind oder setzen gar nochStarrachskonzepte ein.

6.2 Konstruktion Gelenkwellen Um die hervorragenden Fahr- und Hand-lingeigenschaften (Präzision der Lenkungauch unter Antriebsmomenten) zu errei-chen, mussten auf jeden Fall gleich langeAbtriebswellen (Halbwellen) zwischendem Rad- und dem differenzialseitigenGelenk vorgesehen werden. Mit dieserLösung können unerwünschte Einflüsseauf das Lenkverhalten unter Antriebsmo-menten (Rückkoppelung), wie er beiungleichlangen Wellen auftritt, vermie-den werden. Aus diesem Grund befindetsich an der rechten Ölwannenseite, Bild 8,noch ein Stützlagerbock, der die rechteTeilwelle durch die Ölwanne und das rech-te motorseitige Gelenk unterstützt, sowiedurch den dort angebrachten Wellen-dichtring den Ölhaushalt des VAG nachaußen abdichtet.

Die Verbindung vom Verteilergetriebezum Vorderachsantrieb (vordere Gelenk-welle – hier ohne Gelenke) wurde so leichtund kompakt wie möglich ausgeführt undverläuft daher parallel zur Kurbelwellen-beziehungsweise Getriebehauptachse,Bild 8, aber möglichst nahe am Getriebe.Dadurch konnte auf Kreuz- bzw. Gleich-laufgelenke verzichtet werden. Die Ver-bindung wird am Verteilergetriebe übereine Schiebeverzahnung, differenzialsei-tig über eine SGF-Scheibe hergestellt.

6.3 Konstruktion SchnittstellenMotor/Getriebe/Verteilergetriebe Da eine Schwerpunktverschiebung desVerteilergetriebes nach hinten sofort zueiner Absenkung der Biegeeigenfrequenzdes Gesamtantriebstranges führen würde,wurde eine kompakte Lösung mit mög-lichst kurzer Baulänge und geringenGewichten, aber auch höchster Steifigkeitdes Verbundes angestrebt, Bild 9.

Die erzielten Werte der Eigenfrequen-zen hinsichtlich Biegung in Hoch- undQuerrichtung sowie Aggregat-Torsion lie-gen deutlich über den Anregungsfrequen-zen (kritischen Werten)

Die Fahrzeugziele, eine hohe Längs-und Querdynamik zu erreichen, führtenauch auf die Festlegung der Drehmoment-grundverteilung im Verteilergetriebe von38 % zur Vorderachse und 62 % zur Hinter-achse. Erreicht wird dies durch einen Pla-netenradsatz als offenes Differenzial mitdiesen Übersetzungsverhältnissen. Uner-wünschte Verspannungen durch mecha-nische Sperren werden hierdurch vermie-den.

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6.2 Konstruktion Gelenkwellen

7 Zusammenfassung

Bild 8: KonstruktionGelenkwellenFigure 8: Designprop- andsideshaft

Bild 9: VerbundAutomatik-getriebe –Verteiler-getriebeFigure 9: Designtransmission –transferbox

Tabelle: Fahrzeugdaten X5 4.6is und X5 4.4iTable: Vehicle parameter X5 4.6is and X5 4.4i

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Traktionsunterstützung wird durcheinen sehr effektiven Vierradbremsenein-griff geleistet.

7 Zusammenfassung

Die erzielbaren Fahrleistungswerte sindfür ein Fahrzeug aus der SUV Klasse beein-druckend.

Die sehr direkte Rückmeldung desAntriebs inklusive der akustischen Prä-senz sorgt darüber hinaus für ein Fahrer-

lebnis, wie es nur von Sport-Fahrzeugenmit Handschaltgetrieben bekannt ist.

Die Höchstgeschwindigkeit von 240km/h und die Beschleunigungszeiten von0 auf 100 km/h in 6,5 Sekunden zeigen dasPotenzial des Antriebes in Bezug aufLängsdynamik, Tabelle.

Mit diesen Fahrleistungen liegt derneue BMW X5 4.6is an der Spitze des Wett-bewerbfeldes. Die Leistungsfähigkeitendes Antriebes, der Allrad-Konstruktionund des Fahrwerkes wird durch Nürburg-

ring-Rundenzeit von neun Minuten deut-lich unterstrichen, Bild 10. 1966 umrunde-te Hubert Hahne mit dem damals neuen2000 TI Tourenwagen erstmals den Nür-burgring in weniger als 10 Minuten.

Diese Zahlen unterstreichen, dass derX5 4.6is in der Disziplin Querdynamik undLenkpräzision im SUV Segment eine sou-veräne Führungsposition einnimmt.

Literaturhinweise

[1] Absmeier, C.; Fischer, A.; Klering, M.; Riedl,W.; Sailer, W.; Städter, J.: BMW V8-Motoren-Lösungen für mehr Umweltverträglichkeitund Kundennutzen. In: MTZ 59 (1998)

[2] Bauer, R; Brox, W.; Fischer, A.; Hofmann, R.;Lemberger, H.; Städter, J.: BMW V8-Moto-ren-Steigerung von Umweltverträglichkeitund Kundennutzen. In: MTZ 57 (1996)

[3] Brox, W; Hofmann, R.; Rech, H.; Schlott, H.;Ziermann, P.: Die neuen BMW V8-Motoren.In: MTZ 53 (1992)

7 Zusammenfassung

Bild 10: NürburgringvergleichFigure 11: Comparison lap times Nürburgring circuit

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Q u e r s c h a u ATZ 6/2002

Das Titelthema der nächsten ATZ widmet sich dem hundertjährigen Bestehen des Instituts fürKraftfahrwesen (ika). Geschildert wird die historische Entwicklung von Lehre und Forschung zumKraftfahrwesen an der RWTH Aachen. In chronologischer Reihenfolge wird schwerpunktmäßigauf Personen und Themen von 1902 bis heute eingegangen. Eine kurze Darstellungen deraktuellen Situation des ika und der Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen (fka)schließen den Beitrag ab.

T i t e l t h e m a

100 Jahre ika – Fahrzeugtechnische Lehre, Forschung und Entwicklung in Aachen

W e i t e r e T h e m e n

EntwicklungDas Kühlsystem des neuen 7er BMW

Licht und Fahrerassistenz als Systeme zur Verbesserung der Fahrzeugsicherheit

Closures-Konzepte aus Stahl

Architektur des integrierten Antriebsstrang-Managements

Inertiale Messsysteme mit faseroptischen Kreiselnfür Fahrdynamik und Topologiedaten-ErfassungATZ