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antriebstechnik 12/2020

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antriebstechnik 12/2020

DICHTUNGEN LAGER UND

DICHTUNGEN LAGER UND DICHTRINGE KUNSTSTOFF FÜR HOHE BEANSPRUCHUNG Die Anforderungen an Reib- und Verschleißteile steigen kontinuierlich an. Kunststofflösungen haben hier traditionell keine starke Lobby. Aber diese Ansicht ist nicht mehr zeitgemäß. Häufig sind Kunststoffe die geeignetste Option bei Lagern und Dichtringen, auch im Falle von starken und stärksten Belastungen. Druck- und Anlaufscheiben, Axiallager, Dichtringe und andere anwendungsspezifische Reib- und Verschleißteile in Getrieben bestehen heute schon oft aus Hochleistungskunststoffen, sie sind Stand der Technik. Dennoch berücksichtigen Entwickler von z. B. neuen Getrieben mit Drehzahlen von 14 000/min und mehr oder Antriebselementen für (H)EVs solche Kunststoffe häufig nicht. Als Konsequenz werden dann Bauteile aus Metall wie Nadel- oder Kugellager standardmäßig eingesetzt. Auf diese Weise bleiben bessere Möglichkeiten oft ungenutzt. GRUNDLAGEN Reib- oder auch Gleitlagersysteme sind gekennzeichnet durch die Art der Oberflächen der sich berührenden Teile, den Anpressdruck, die Gleitgeschwindigkeit, die Temperatur und die Schmierung. Der wichtigste Parameter des Systems ist der Reibungskoeffizient µ, der das Verhältnis zwischen der zum Bewegen des Teils erforderlichen Reibkraft und der senkrecht zur Oberfläche ausgeübten Kraft bezeichnet. Je kleiner µ, desto geringer ist der Reibungsverlust, der durch die Komponente während des Betriebs verursacht wird. Der Gesamtverlust eines Getriebes aufgrund von Reibung kann beträchtlich sein, bei Verbrennungsmotoren bis zu mehreren Kilowatt. Normalerweise wird µ als Funktion der beiden Schlüsselparameter Geschwindigkeit (V) und Druck (p) des Systems dargestellt, kombiniert als V/p. Es existieren drei verschiedene Reib- oder auch Schmierzustände: Grenz-, gemischte und hydrodynamische Schmierung. Um die Reibung und damit die Energieverluste des Systems zu optimieren, sollen die Bedingungen im Auslegungsfall nahe am Minimum von µ liegen, welches sich in der Übergangszone von gemischter zu hydrodynamischer Schmierung befindet. Dr.-Ing. Jens Höltje, Geschäftsführer High3P GmbH, Aachen WAS ENTWICKLER BEACHTEN SOLLTEN Beim Entwurf von Reib- bzw. Gleitbauteilen eines Getriebes oder Antriebsstrangs müssen viele Anforderungen berücksichtigt werden. Zunächst ist für die Optimierung der Energieverluste ein Werkstoff mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten bei den vorherrschenden Betriebsbedingungen auszuwählen. Gleichzeitig müssen die Gegebenheiten während des Anfahrens und – noch wichtiger – die maximale Belastung berücksichtigt werden. Hervorragende Reibeigenschaften allein reichen jedoch nicht aus. Im gleichen Maß soll das Material einen geringen Verschleiß aufweisen, idealerweise so, dass das Bauteil während der vorgesehenen Lebensdauer nicht ausgetauscht werden muss. Ebenso spielt beim Design die Integration von weiteren Funktionen in die Komponente eine wichtige Rolle. Eine derartige Konsolidierung führt zu weniger Teilen, einer einfacheren Montage und damit geringeren Gesamtkosten. Andere relevante Parameter sind der verfügbare Platz, die Trägheit des Systems, NVH (Noise, Vibration, Harshness), Art und Durchfluss des Schmiermittels und natürlich die Kosten. VERGLEICH ZWISCHEN KUNSTSTOFF- UND METALLBASIERTEN KOMPONENTEN Metallische Bauteile werden häufig ausgewählt, weil sie angeblich die besten Reibeigenschaften aufweisen. Neueste Entwicklungen von reib- und verschleißoptimierten Polymeren haben jedoch gezeigt, dass sich mit diesen vergleichbare oder sogar bessere Werte erzielen lassen. Darüber hinaus bieten Kunststoffe verschiedene weitere Vorteile: n Bauraum: Eine typische Druckscheibe benötigt 1,5 bis 2 mm Platz, während für ein Nadellager normalerweise mindestens 4 mm erforderlich sind. 38 antriebstechnik 2020/12 www.antriebstechnik.de

DICHTUNGEN UNTERSTÜTZUNG VOM LIEFERANTEN Bei der Entwicklung von Reib- und Verschlussteilen wird früh Simulations-Software eingesetzt – hier FEA (Finite Elemente Analyse) – Simulation eines Druckrings mit Rotationsverriegelung n NVH-Eigenschaften: Geräusche und Vibrationen sind bei den gegenüber Nadel- oder Kugellagern deutlich weniger komplexen Bauteilen aus Kunststoffen signifikant geringer, auch weil sie bessere Dämpfungseigenschaften besitzen. n Montage: Bei Verwendung bestimmter Polymere können Komponenten so gestaltet werden, dass sie sich flexibel öffnen und seitlich über die Welle schieben lassen. Auch ein möglicher Austausch ist dann viel einfacher. n Gestaltungsfreiheit: Bei Bedarf können die Abmessungen einer vorhandenen Komponente problemlos verändert werden. Kon - s trukteure sind somit nicht auf Standardgrößen beschränkt wie sie bei metallischen Lagern vorherrschen. n Kosten: Kunststoffkomponenten sind tendenziell kostengünstiger als solche aus Metall. Typische Unterschiede liegen bei 25 % oder mehr. Dies gilt insbesondere für hohe Drehzahlen, bei denen Metalllager enge Toleranzen aufweisen müssen. Bauteile aus Polymeren sind allerdings nicht grundsätzlich und in allen Fällen die beste Wahl. Sofern Anwendungen verschiedene Belastungszustände über einen größeren Bereich umfassen, kann der dann relevantere durchschnittliche µ-Wert bei Metallkomponenten niedriger sein. AM HÄUFIGSTEN VERWENDETE KUNSTSTOFFE Bei Anwendungen mit hohen V/p-Kennzahlen, erhöhten Temperaturen und/oder extremen Betriebsbedingungen werden üblicherweise Polyetheretherketon (PEEK), Polyamidimid (PAI) oder Polyimid (PI) als Basismaterial gewählt. n PEEK weist ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf und kommt in vielen Industrien zum Einsatz. Allerdings muss es jedoch häufig in Reib- und Verschleißanwendungen mit Glas- oder Kohlefasern verstärkt werden. Derartige Fasern können zu Beschädigungen, erhöhtem Verschleiß beim Einfahren sowie allgemein höheren Reibwerten und Betriebstemperaturen führen. n PAI kann bei gleicher oder besserer Leistung bei höheren Temperaturen als PEEK eingesetzt werden. Zudem sind die Oberflächen glatt und Bauteile vergleichsweise biegsam, da keine Faserverstärkung erforderlich ist. Obwohl die Verwendung dieses Polymers weniger verbreitet ist, liegen die Preise entsprechender Komponenten oft niedriger. n Die besten Eigenschaften in Bezug auf Reibung und Verschleiß besitzt PI. Aufgrund seines hohen Preises und von Einschränkungen im Herstellungsprozess wird es jedoch nur bei sehr speziellen Anforderungen eingesetzt. Mit einem geeigneten Bauteildesign können auch PEEK oder – häufiger – PAI erfolgreich sein. Die beschriebenen Systeme und Bauteile sind komplex. Oftmals ist es deshalb ratsam, Spezialisten zu konsultieren, die bei der Entwicklung eines neuen Teils helfen können. Mit ihrem Wissen und ihrer Erfahrung decken die Hersteller derartiger Komponenten die genannten Aspekte in aller Regel am besten ab. Für Kunststofflösungen können sie hinsichtlich Polymerart und -type sowie Teiledesign beraten. Gleichzeitig muss die industrielle Herstellung berücksichtigt werden, auch um den Kosten Rechnung zu tragen. Virtuelle Simulationen der mechanischen Eigenschaften und der Produktion sowie realitätsnahe Tests unterstützen den iterativen Entwicklungsprozess. Ein hochqualifizierter und erfahrener Hersteller solcher Teile ist Allegheny Performance Plastics mit Sitz in den USA. Als ein führender Anbieter von Reib- und Verschleißteilen produziert das Unternehmen hauptsächlich für deutsche Tier1-Automobilzulieferer. Kürzlich konnte Allegheny die 100-millionste Druckscheibe feiern. Die High3P GmbH wurde von langjährigen Experten für Kunststoffe und deren Verarbeitung gegründet; sie vertritt Allegheny in Europa. Fotos: Allegheny Performance Plastics www.high3p.de DIE IDEE „Die Entwicklung optimierter Reibbzw. Verschleißteile aus Polymeren ist komplex. Sie erfordert Materialauswahl, Teiledesign, Simulation, Herstellung und Prüfung – häufig in mehreren Iterationen. Ein starker Partner für all diese Schritte ist Allegheny Performance Plastics, das seinen Kunden seit mehr als 80 Jahren fundiertes Wissen und umfassende Erfahrung anbietet. Dank eines optimierten Herstellungskonzeptes produziert das Unternehmen die entsprechenden Teile kostengünstig sowohl in großen als auch in kleinen Serien.“ Dr.-Ing. Jens Höltje, Geschäftsführer High3P GmbH www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/12 39

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