Leicht, doch hart im Nehmen

Werkstoffe

Kunststoffe – Der Einsatz von Zahnrädern aus Hochleistungskunststoff im Inneren von Verbrennungsmotoren steigert die Leistungsfähigkeit und senkt zugleich den Kraftstoffverbrauch.

09. September 2009

Das US-amerikanische Unternehmen Metaldyne mit Hauptsitz in Plymouth (Michigan) ist ein weltweit führender Hersteller von metallischen Bauteilen, Baugruppen und Modulen für den Einsatz in Fahrzeugantrieben und Fahrgestellen, darunter Getriebegehäuse, Radlagereinheiten und aufhängungen, Achsen und Antriebswellen. Trotz der langen Erfahrung in der Verarbeitung von Metallen verwendet das Unternehmen zunehmend auch Polymer-Werkstoffe. Als Material für die Zahnräder der Ausgleichswellen zum Beispiel wählten die Amerikaner den Kunststoff Peek-Polymer des englischen Kunststoffherstellers Victrex. Dieser aromatische, teilkristalline Thermoplast aus der Gruppe der Polyaryletherketone (PAEK) lässt sich mit allen üblichen thermoplastischen Verfahren verarbeiten und kombiniert eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit mit exzellenten tribologischen, thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften unter zahlreichen Bedingungen.

Ausgleichswellenmodule werden in Vierzylinder-Reihenmotoren eingesetzt, um inhärente Ungleichförmigkeiten des Laufs zu kompensieren. Da die Module mit bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute rotieren und Betriebstemperaturen bis zu 155 Grad Celsius erreichen, wurden dort bisher keine Polymer-Werkstoffe eingesetzt.

Hoch Hitzefest

Das innovative Polymerzahnrad bietet jedoch eine überragende mechanische und Temperaturbeständigkeit, erklärt Aaron Clark, Engineering Manager bei Metaldyne Powertrain Products: »Wir haben uns für Victrex Peek Polymer entschieden, weil es den hohen Temperaturen nicht nur standhält, sondern dabei auch seine Materialeigenschaften wie Ermüdungsfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und Härte beibehält.«

Leicht und Leise

Zudem verringert der neuartige Zahnradwerkstoff die Geräuschentwicklung sowie Vibrationen. Ausschlaggebend für den Einsatz in den Ausgleichswellen ist jedoch das niedrige Gewicht des Werkstoffs, weil sich damit der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs um drei bis neun Prozent senken lässt, erklärt Clark: »Verglichen mit Sinter- und Stahlrädern sind Zahnräder aus Victrex Peek Polymer etwa 70 Prozent leichter und haben ein geringeres Trägheitsmoment.«

Vorteile bietet der Polymer-Werkstoff auch bei der Produktionsplanung. So erfordern die spritzgegossenen Zahnräder weder Nachbearbeitung noch Investitionen in das Schleif-Verfahren. Stattdessen lassen sich die Zahnräder sofort in die Ausgleichswellenmodule einsetzen, ergänzt Clark und fasst zusammen: »Der Produktionsvorlauf für Zahnräder aus Victrex Peek Polymer ist etwa halb so lang wie für Metallräder.«

Der gesamte Entwicklungsprozess für die Zahnräder geschah gemeinsam mit dem Kunstoffhersteller Victrex. Die Metallverarbeiter wandten sich damals an die Polymerspezialisten und schilderten ihre Betriebsbedingungen. Der Hersteller empfahl darauf den Einsatz von Peek Polymer und stellte für Testzwecke eine geeignete Menge zur Verfügung, aus der ein Spritzgussbetrieb die Räder herstellte. Nach einer Reihe von Tests stand fest, dass der Kunststoff den Belastungen im Inneren des Motors standhält. Nach zahlreichen Versuchsreihen zur Optimierung des Zahnraddesigns gemeinsam mit dem Spritzgießer und dem Polymerlieferanten ist sich Konstruktionsleiter Clark sicher: »Das Polymerzahnrad wird künftig noch leistungsstärker sein als unsere herkömmlichen Sinter- und Stahlräder.«

Joachim Preiß, Victrex Europa/bt

Fakten

- Das englische Unternehmen Victrex plc ist führender Hersteller von Polymeren, Folien und Beschichtungen aus Polyetherketon-Werkstoffen.

- Das Hochleistungspolymer PEEK aus der Gruppe der Polyaryletherketone verbindet hervorragende chemische, mechanische, Hydrolyse- und Hochtemperaturbeständigkeit mit hoher Stabilität und Formbeständigkeit.

Erschienen in Ausgabe: 5-6/2009