In der Getriebeherstellung folgt man ebenso wie in anderen Bereichen dem Trend in Richtung Reduzierung der Bauteilgröße. Gleichzeitig wird die Steigerung der Leistungsfähigkeit avisiert. Moderne Automatikgetriebe, wie beispielsweise 6- bis 8-stufige Automaten müssen hohe Drehmomente übertragen und höhere Motordrehzahlen verkraften. Aus diesem Grund ergibt sich ein Optimierungsbedarf bis in die kleinsten Bauteile des Getriebes hinein. Das betrifft unter anderem Anlaufscheiben. Typische Axialkräfte in Pkws liegen im Bereich von 3.000 N bei Drehzahlen bis zu 6.500 U/min und darüber. Die daraus resultierenden pv-Werte (Druck mal Geschwindigkeit) können mit Ölschmierung Spitzenwerte von bis zu 100 MPa m/s, je nach verwendetem Durchmesser erreichen. Infolge der immer geringeren Baugröße und der hoch verdichteten Bauweise der Getriebe ist auch die Ölversorgung begrenzt. In modernen Automatikgetrieben wird eine ordnungsgemäße Ölversorgung in jeder Fahrsituation durch ein kompliziertes System aus Kanälen und Hohlwellen gewährleistet. Dabei können die Ölsumpftemperaturen im Bereich des Drehmomentwandlers leicht 150 °C und mehr erreichen. In vielen Automatikgetrieben werden daher zunehmend Anlaufscheiben aus Hochleistungspolymeren ersetzt, um einen „eingebauten“ Sicherheitsfaktor zu realisieren.

Temperaturen bis 150 °C lassen die Hochleistungskunststoffe kalt

In vielen Automatikgetrieben werden immer öfter Anlaufscheiben aus Hochleistungspolymeren eingesetzt, um einen „eingebauten“ Sicherheitsfaktor zu realisieren. Hochtemperaturkunststoffe besitzen eine Dauergebrauchstemperatur von bis zu 260 °C. Victrex PEEK verliert bei den im Getriebe herrschenden Temperaturen auch über 5.000 Stunden nicht an Festigkeit. Durch die Verwendung spezieller Verstärkungsstoffe wie Kohlenstofffasern lassen sich weitere Verbesserungen der Wärmeformbeständigkeit und Steifigkeit erzielen. Additive wie PTFE und Graphit verbessern die Gleitreibeigenschaften. Victrex hat Werkstoffe entwickelt, die verschleißfester sind, durch die geringere Dichte weniger Masse haben und durch die thermoplastische Fertigung die Kosten von Getriebekomponenten reduzieren können. Materialien wie Victrex WG Polymer bieten hier eine hohe Verschleißfestigkeit und sehr geringe, sowie über den Verschleiß sehr konstante Reibungswerte, was zu einer hohen Energieeffizienz und einer langen Lebensdauer beiträgt. Aus Polyaryletherketonen (PAEK) hergestellte Bauteile lassen sich im Vergleich mit Teilen aus Metall oder Werkstoffen anderen Hochleistungskunststoffen wie Polyimid (PI) und Polyamid-Imid (PAI) kostengünstiger herstellen. Sie lassen sich in Standard-Spritzgießverfahren mit engen Toleranzen herstellen, bedürfen jedoch keiner thermischer Nachbehandlung oder mechanischer Nacharbeit. Die so hergestellten Teile sind somit werkzeugfallend.

Bei Erhöhung der Elastizität ersetzen Kunststoffe die Metallkomponenten

Die steigende Nachfrage nach kleineren und zuverlässigeren Komponenten aus leichteren, temperaturbeständigen Werkstoffen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften erfordert geeignete Materialien. Der Schlüssel zur Realisierung liegt hier in der Kombination von Verschleißbeständigkeit, Druck-Kriechbeständigkeit und niedrigem Reibungskoeffizienten.
Metallkomponenten werden insbesondere dann durch Kunststoffe ersetzt, wenn die Elastizität erhöht werden soll. Die Verbindung von PEEK mit spezieller Kohlenstofffaser, beispielsweise 90HMF40, bietet die höchste spezifische Festigkeit und somit das größte Einspa-rungspotential für den Leichtbau unter den technischen Kunststoffen. Der thermoplastische Polymerwerkstoff ermöglicht äußerst hohe Gewichtseinsparungen gegenüber Metallen bei minimal höherem Bauraumbedarf. Das Material übertrifft Standard-Aluminiumlegierungen im Hinblick auf Gewicht und Wandstärke und ist nahezu volumenneutral im Vergleich zu tribologischen Messinglegierungen. Die Substitution von Metallkomponenten durch PEEK 90HMF40 ermöglicht Gewichtseinsparungen von bis zu 80 Prozent bei Fokus auf die Festigkeit. Auch in Fällen, in denen es auf die Steifigkeit ankommt, bietet karbonfasergefülltes PEEK 90HMF40 bei weitem das niedrigste Gewichts-Volumen-Verhältnis.
Moderne Schmiermedien für Automatikgetriebe enthalten zahlreiche chemische Verbindungen, mit denen die gewünschten Eigenschaften der OEM Spezifikationen erreicht werden. Diese sind teilweise aggressiver als früher, was die Beständigkeit der bisher eingesetzten Werkstoffe gegen diese Substanzen gefährdet. Neueste Studien bestätigen, dass PEEK beim Test in neuen Getriebeölen auch nach 1.000 Stunden bei 150°C keine nennenswerte Beeinflussung aufweist.

Spezialkunststoffe haben viele Facetten und sind vielseitig einsetzbar

Auf Basis dieser Eigenschaften bietet PEEK die Grundlage für eine vielfältige Produktpalette von Verbundgleitlagern über Verschleißelemente bis zu Dicht-ringen. Verbundlager sind speziell dafür ausgelegt, mit marginaler Schmierung zu arbeiten und bestehen aus drei Verbundlagen: einem Stahlträgerband und einer Sinterbronze-Matrix, imprägniert und überlagert mit einem Polymer-Lagermaterial, wie zum Beispiel PEEK, mit Füllstoffen wie Karbonfaser und Graphit. Der Stahlträger bietet Festigkeit. Die Zwischenlage aus Bronze sorgt für eine starke mechanische Bindung des Belages und dient zudem als Notlaufschicht. Die dritte Schicht besteht aus PEEK und liefert die tribologische Eignung. Dieser Aufbau gewährleistet hohe Formbeständigkeit und bessere Wärmeleitung zur Reduzierung der Temperatur an der Lageroberfläche.
Axiale Anlaufscheiben, Verschleißelemente aus Vollkunststoff, sind eine wichtige Komponente von Automatikgetrieben. Da sie zur Trennung der verschiedenen Getriebestufen untereinander dienen, sind sie hohen Axialkräften und ebenfalls extremen tribologischen Belastungen ausgesetzt. Die kompakte Bauform der Getriebegehäuse und die höheren Belastungen führen zu höheren Öltemperaturen. Durch ihr ausgewogenes Merkmalprofil und die Möglichkeit zur Verarbeitung im Spritzgießverfahren ohne aufwändige Nachbearbeitung finden PEEK Polymere ständig neue Anwendungen als bevorzugtes Anlaufscheibenmaterial für Getriebe. Sie ermöglichen Konstrukteuren die Entwicklung immer wirtschaftlicherer und effizienterer Anwendungen.

Reibungs- und Verschleißverhalten der Kunststoffe optimieren

Spezielle Rechteckdurchführungen werden für drehende Wellen in stufenlosen Automatikgetrieben mit 6-8-Gängen sowie in Doppelkupplungsgetrieben eingesetzt. Sie sorgen hier für den Öldruck, der von rotierenden Steuer- und Betätigungselementen benötigt wird. Im Dichtungssystem können Reibungsverluste auftreten und die Effizienz erheblich beeinträchtigen. Infolge der ständigen Verkleinerung (Downsizing) der Motoren werden immer höhere Drehzahlen und Öldrücke verwendet. Durch reibungsbedingte Temperaturanstiege im Kontaktbereich zwischen Dichtung und Welle kann es zum Zersetzen des Öls kommen. Aus diesen Gründen spielt Optimierung der Reibung zwischen Welle und Dichtung eine vorrangige Rolle. Aus Gründen der Kostenoptimierung und der konstruktiven Gestaltungsfreiheit kommen bereits seit vielen Jahren statt Graugussringen neue temperatur- und ölbeständige Hochleistungs-Thermoplastwerkstoffe wie PEEK zum Einsatz. Kunststoffe weisen auch ein besseres Reibungs- und Verschleißverhalten auf, dass durch Zusatzstoffe weiter optimiert werden kann. Ein Nebeneffekt für die Entwicklung von Rechteckdichtungen ist die einfache Montage durch stärkere Dehnung und geringere Steifigkeit im Vergleich zu Komponenten aus Metallen.
Auch Zahnräder müssen für den Antrieb von Nebenaggregaten zahlreiche Anforderungen erfüllen, da verschiedene Belastungen immer in Kombination auftreten. Die einwandfreie Funktion eines Zahnrades ist abhängig von der dynamischen Biegewechselfestigkeit, der Beständigkeit gegenüber Ölen und Fetten, der Alterungsbeständigkeit und natürlich auch von der Dimensionsstabilität. Die Lebensdauer von Zahnrädern aus speziell für diesen Anwendungsbereich entwickelten PEEK-Typen ist bei Zahnradtests um Dekaden höher, als bei Zahnrädern aus anderen technischen Polymeren bei Schmierung und 120 °C. Dies bedeutet, dass Zahnräder aus PEEK und die sie umgebenden Baugruppen kleiner ausgelegt werden können, was das Gewicht optimiert, Energieeffizienz gewährleistet und gegenüber mechanisch hergestellten Metallzahnrädern Kosten spart.
Getriebekomponenten aus Hochleistungskunststoffen erfüllen die Kunden-Anforderungen und können kosteneffizient hergestellt werden, weil sekundäre Prozesse entfallen und die Funktionen mehrerer Teile aus Metall in einer Spritzgusskomponente konsolidiert werden.

 

 

Autor

Über den Autor

Jürgen Reinert