Schluss mit Heavy Metal

Spezial Fahrzeugtechnik

Werkstoffe – Im Karosseriebau haben Kunststoffe sich schon seit Jahren etabliert. Jetzt erobern moderne Hochleistungskunststoffe auch den Antriebsstrang und ermöglichen zum Beispiel im Getriebe eine Reduktion der Massenträgheit bis zu 78 Prozent.

26. August 2013

Die treibende Kraft vieler technischer Entwicklungen in der Automobilindustrie ist die zunehmende Forderung nach einer weiteren Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, um den CO2-Ausstoß durch den Straßenverkehr zu verringern. Ein Weg, dies zu erreichen, ist das sogenannte Downsizing, also der Einsatz von immer kleineren und leichteren Bauteilen in der Automobilfertigung, um auf diese Weise gleichermaßen Gewicht wie Rohstoffe einzusparen.

Beispielsweise wurden in den vergangenen Jahrzehnten die Fahrzeugkarosserien vor allem durch einen immer filigraneren Aufbau sowie durch den Einsatz von extradünnen Blechen oder auch Kunststoffteilen immer leichter. Vor allem im Antriebsstrang jedoch geraten die Ingenieure mit metallischen Werkstoffen zunehmend an die Grenzen des Machbaren bei der Gewichtsreduktion.

Kunststoff im Getriebe

Der US-amerikanische Automobilzulieferer Metaldyne, ein weltweit führender Hersteller von Komponenten für den Antriebsstrang, hat deshalb eine Studie durchgeführt, die die Leistungsfähigkeit moderner Hochleistungskunststoffe für Anwendungen in der Fahrzeug-Antriebstechnik untersuchen sollte. Ziel der Versuche war es, die Zahnräder in einem Ausgleichsgetriebe vor allem aus Gründen der Geräuschoptimierung aus Kunststoff herzustellen. Als Werkstoff wählten die Amerikaner das thermoplastische Hochleistungs-Polymer PEEK des englischen Kunststoffspezialisten Victrex, um den hohen Belastungen des Zahnrads mit extremen Zahnflankenpressungen sowie der Umgebungstemperatur bis zu 150 Grad Celsius gerecht werden zu können.

Ein Ergebnis der Studie war, dass das PEEK-Zahnrad aufgrund seiner geringeren Masse ein um 78 Prozent niedriges Trägheitsmoment aufweist als die Vergleichskomponente aus Grauguss. Für das Gesamtsystem bringt das immerhin noch einen Vorteil von 30 Prozent. Die Folge ist eine Reduzierung des Drehmomentbedarfs des mit 12.000 Umdrehungen pro Minute betriebenen Systems von neun Prozent.

Auch die ursprüngliche Zielsetzung der Geräuschoptimierung wurde erreicht: Hier ergab sich eine Reduzierung von drei dB gegenüber Zahnrädern aus Grauguss. Für das menschliche Ohr entspricht dies einer Halbierung der Lautstärke.

Sehr viel leichter

Insgesamt ermöglicht der Einsatz des Hochleistungswerkstoffs aus England eine Gewichtsreduktion von bis zu 80 Prozent im Vergleich zu Stahl bei einem nur geringen Mehrbedarf an Bauraum. Zudem liegt dessen Dichte meist noch zehn Prozent unter der von anderen technischen Thermoplasten. Dies trägt zwar nur minimal zur Reduzierung des Gesamtgewichts des Fahrzeugs bei, hilft jedoch signifikant bei der Optimierung des Ansprechverhaltens oder beim Beschleunigen und Abbremsen von bewegten Massen.

»Die Kombination dieser Eigenschaften hilft, die Effizienz der Kraftübertragung zu verbessern und trägt somit, wenn auch nur im geringem Maße, zur Kraftstoffeinsparung bei«, erklärte Jürgen Reinert, Senior Market Development Manager Automotive bei Victrex, auf dem 11. internationalen CTI Symposium über innovative Fahrzeuggetriebe, Hybrid- und Elektro-Antriebe in Berlin, und ergänzte: »Außerdem sinken die Wartungskosten, während die Lebensdauer der Komponenten steigt.«

Zudem zeichnen sich die gleitoptimierten Werkstoffe durch einen extrem geringen und über die gesamte Lebensdauer stabilen Reibungskoeffizienten aus. Dies kommt besonders dann zum Tragen, wenn in Start-Stopp-Systemen die Schmierung nicht mehr optimal ist. In solchen Fällen helfen Werkstoffe wie die neuen, extrem verschleißfesten Victrex WG-Polymere, temporär ohne Schmierung auszukommen.

Sie bieten einen noch geringeren und dabei sehr stabil bleibenden Reibungskoeffizienten als bisherige Produkte insbesondere im Vergleich zu anderen Hochleistungskunststoffen wie Polyamidimide und Polyimide. Außerdem verbessern die niedrigen Reibwerte aufgrund der geringeren Reibungswärme die Belastbarkeit des Werkstoffs.

Vielseitig verwendbar

Typische automobile Anwendungsbereiche für PEEK-Kunststoffe außerhalb der Antriebskomponenten sind seit Jahren auch Dichtringe und Rechteckdrehdurchführungen, Anlaufscheiben und -elemente, Gleitlager, Lagerkäfige sowie unter extremen Bedingungen auch Schaltgabelpads.

Für Victrex-Manager Reinert steht deshalb fest: »Damit tragen wir dazu bei, die Lebensdauer der Komponenten und somit letztlich die Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit des Automobils zu verbessern.«

Auf einen Blick

- Victrex plc. mit Hauptsitz in Lancashire/Großbritannien ist weltweit führender Hersteller von Hochleistungspolymeren, speziell von leistungsstarken Polyaryletherketonen.

- Die gesamte Materialherstellung erfolgt gemäß Zertifizierung nach ISO 9001.

Erschienen in Ausgabe: 06/2013