Umdenken unter der Haube - Hochleistungs-Kunststoffzahnräder im Motorenbereich

In der Automobilindustrie treten bei optimierten und hocheffizienten 3- und 4-Zylindermotoren aufgrund hoher spezifischer Leistung, Verdichtung und dem Einsatz von Leichtbaumaterialien häufig NVH-Probleme auf. Rassel- und Heulgeräusche in Masseausgleichssystemen, Nockenwellen- und Pumpen- sowie Nebenantrieben sind keine Seltenheit – und die Kundenerwartungen für mehr Komfort und Qualität werden nicht erfüllt.

Typische Lösungen auf Metallbasis sind in der Regel Präzisions-, verspannte oder sogar entkoppelte Zahnräder. Diese sind zwar teuer, schwer und sehr komplex und reduzieren oder eliminieren das Rasseln, verhindern jedoch nicht das Heulen, da weiterhin ein Metallkontakt im Zahneingriff besteht. Kunststoffzahnräder sind deshalb schon länger auf dem Radarschirm der Ingenieure, haben aber bisher die Adaptions-Hürde aufgrund Dauerfestigkeit, Performance und anderer eher „emotionaler“ Faktoren noch nicht überwinden können. Gerade die NVH-Probleme werden durch den stark dämpfenden Kunststoff schnell reduziert.Um die etablierten Metalllösungen zu verdrängen, bedarf es darüber hinaus an Detailwissen rund um Auslegung, Design, Simulation und Fertigung eines Kunststoffbauteils.

Mittlerweile haben aber Zahnräder auf Basis des Hochleistungskunststoffes VICTREX HPG, einem Polyetheretherketon, in diesen Anwendungsbereichen zunehmend an Interesse und Akzeptanz gewonnen, da sie eine kostengünstige, leichtere und auch effizientere Alternative zu den Metallvarianten bieten können. Zusätzlich ist das nötige Know-how und die Kompetenz in der Zulieferindustrie gestiegen und Unternehmen wie Victrex bieten heute Komplettlösungen, ausgehend von einer ersten Machbarkeitsstudie über Design, Prototypen, Prüfstandsversuchen bis hin zur Serienfertigung von Hochleistungs-Präzisionszahnrädern, an.

Intensive Validierungstests zusammen mit führenden Automobilherstellern haben das Potential für einen Serieneinsatz der PEEK-Zahnräder und speziell in Bezug auf akustischen Vorteile und den Dauereinsatz unter realistischen Bedingungen bestätigt. Zusätzlich unterstützt wurden diese Aktivitäten durch Versuche bei IAVF, einem Anbieter für Motorenerprobung, auf Basis eines 3-Zylinder Dieselmotors. In einem umfangreichen, modularen Testprogramm wurden die einzelnen potenziellen Einflussgrößen auf die Performance der Kunststoffzahnräder wie Temperatur, Drehzahl, Ungleichförmigkeiten und Kraftstoffzustand überprüft. Des Weiteren wurden motorenspezifische Bedingungen mit maximalen Drehmomenten gezielt angefahren, die in einigen Bereichen sogar deutlich über die zu erwartenden Lebensdaueranforderungen hinausgingen. Die Zahnräder haben alle Tests ohne Ausfälle und mit nur geringfügigem Verschleiß überstanden und ihre Einsatzberechtigung in den entsprechenden Motorenanwendungen damit eindrucksvoll bekräftigt.

Mittlerweile sind erste Anwendungen mit VICTREX PEEK Zahnrädern in die Serie umgesetzt und bestätigen so die Akzeptanz und auch das Potenzial als eine kosteneffiziente und realisierbare Lösung zur NVH-Reduktion für die entsprechenden Motorenplattformen.

Im Fokus zukünftiger Arbeiten stehen weitere Lebensdauerprüfungen, um Grenzbelastungen und auch Ausfallmechanismen, Design-Optimierungen und Materialweiterentwicklungen zu ermitteln und auf Basis der Ergebnisse die weitere Adaption dieser innovativen Lösungen für Verbrennungsmotoren, aber auch im elektrifizierten Antrieb weiter voranzutreiben.

Autor

Dipl.-Ing Ralf Weidig, Victrex

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