Februar 2013

Der vermehrte Einsatz von Kunststoffen für elektromechanische Antriebe wird von vielen Seiten angetrieben: Innovative Motor-Managementsysteme brauchen genaue Stellmechanismen um maximale Leistung zum minimalen Ausstoß zu liefern. Im Bereich Fahrzeugkomfort werden elektromechanische Steller im größeren Stil eingesetzt, zum Beispiel für die Klappensteuerung für die Klimaanlage. Zudem kommen Anwendungen für Sicherheitssysteme, Fensterheber, Sitz-, Spiegel- oder Lenksäulenverstellung oder die elektronische Parkbremse. Insgesamt befinden sich in einem modernen Fahrzeug mehrere hundert elektromechanische Antriebe.

Einer der Gründe für den vermehrten Einsatz von Kunststoff in Antriebselementen hierfür liegt darin, dass sich Zahnräder, Gehäuse und Gleitlager kostengünstig in Großserien herstellen lassen. Zudem ermöglicht die Designfreiheit des Werkstoffs die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil. Die Antriebselemente sind leicht, arbeiten geräuscharm und verfügen über eine gute Trockenlauffähigkeit.

Kunststoffe für Zahnräder

Nicht alle Basispolymere eignen sich für Zahnräder. Bei mittleren Belastungen und Temperaturen bis 100°C wird oft unverstärktes POM eingesetzt. Dieses Polymer kombiniert gute Ermüdungs- mit Gleiteigenschaften und hoher Dimensionsstabilität. Bei höheren Belastungen ist es bei diesem Polymer im Bereich Zahnräder nicht möglich, Glasfaserverstärkung einzusetzen. Die Kombination POM mit Glasfasern ist sehr abrasiv. Für höhere Belastungen wird im Regelfall ein anderes Basispolymer eingesetzt. Ist es nicht möglich ein anderes Basispolymer zu wählen, wird eine Kohlenstoff- oder Aramid-Faserverstärkung gewählt, meistens in Kombination mit einem im Compound integrierten Schmiermittel wie beispielsweise PTFE.
Bei Temperaturen von maximal 100°C bis 160°C wird meistens glasfaserverstärktes Polyamid (PA) eingesetzt. Die Compoundrezeptur wird so gewählt, dass der Werkstoff maximale Ermüdungsfestigkeit und Dehnung aufweist. Um die Abrasivität der Glasfaser zu minimieren, bietet das Unternehmen Epic Polymers, Kaiserslautern, Compounds mit integrierten Schmierstoffsystemen an, zum Beispiel Tribocomp TS5, die gezielt die Abrasivität der Glasfaser abstellen.

Von immer größerer Bedeutung wird der Einsatz von langglasfaserverstärktem PA (PA-LFT). PA-LFT erhöht die Leistung der kritischen Eigenschaften: Der Biegefestigkeit, vor allem bei erhöhter Temperatur, sowie die Ermüdungsfestigkeit sind wesentlich höher als bei kurzfaserverstärkten Kunststoffen. Zudem sind längere Fasern besser in der Matrix eingebunden, was zu geringerem Verschleiß und Abrasivität führt. Bedingt durch diese Eigenschaften können Zahnräder aus LFT höhere Drehmomente übertragen bei einer längeren Lebensdauer. Auch diese Materialien können mit Schmierung ausgestattet werden.
Für eine maximale Drehmomentübertragung werden Kohlenstofffasern und lange Kohlenstofffasern (LCF) eingesetzt. Die Faseranteile müssen präzise gewählt werden. Zu niedrige Faseranteile ergeben eine zu geringe Festigkeit, während zu hohe Faseranteile eine zu hohe Steifigkeit und Verschleiß erzeugen.

Polyamid nimmt Feuchtigkeit auf, wodurch es zu kleinen Dimensionsänderungen kommen kann. Diese Dimensionsänderungen können durch den Einsatz von Spezial PA Typen, zum Beispiel PA6.12 oder PA12 minimiert werden.

Auch Polyphthalamid (PPA) kann verwendet werden, wenn Dimensionsstabilität gefordert ist. Allerdings wird PPA meist dann eingesetzt, wenn die Temperaturen im Bereich zwischen 140°C und 180°C liegen.

Wenn hohe Anforderungen an Ermüdungs- und Kriechverhalten gestellt werden, setzt man langglasfaserverstärktes PPA ein (PPA-LFT).
Für Temperaturen über 180°C sind Polyetheretherketone (PEEK) optimal. Dieser Werkstoff kann bei Temperaturen bis zu etwa 240°C in Zahnrädern verwendet werden.

Bei einer Materialauswahl für eine konkrete Anwendung werden noch viele zusätzliche Faktoren berücksichtigt. Neben Drehmoment und Temperatur spielt zum Beispiel die thermische Ausdehnung eine Rolle, die Schlagartigkeit der Belastung, Minustemperaturen, Bindenahtfestigkeit, Umgebungseinflüsse oder Art und Menge der externen Schmierung.

Weitere Getriebearten

Eine besondere Form des Stirnradgetriebes ist das Zahnstangengetriebe, wobei die Zahnstange als ein Zahnrad mit Radius unendlich betrachtet wird. Dieses Getriebe wandelt eine rotierende in eine lineare Bewegung um. Da die Zahnstange eine hohe Steifigkeit benötigt um die Durchbiegung in Grenzen zu halten, werden hier hochfeste Werkstoffe mit geringer Abrasivität eingesetzt, wie zum Beispiel Strator C-6 oder Strator TA 10-5.

Die Schrägverzahnung bei Stirnradgetrieben bringt eine bessere Laufruhe und geringere Geräuschentwicklung, dafür einen schlechteren Wirkungsgrad. Zudem entsteht durch die Schrägverzahnung eine axiale Kraft, die durch ein Lager aufgefangen werden muss und zu einer weiteren Reib-/Verschleißstelle führen kann. Bei der Werkstoffauswahl für diese Art von Zahnrädern muss berücksichtigt werden, dass höhere Gleitgeschwindigkeiten höhere Reibung und mehr Verschleiß hervorrufen. Für schrägverzahnte Zahnräder werden die gleichen Tribocomp Produkte eingesetzt, identisch zu Stirnrädern, jedoch oftmals mit einem höheren Schmierstoffzusatz. Je größer die Winkel der Schrägverzahnung, desto mehr Schmierstoffzusätze werden benötigt.

Schnecken- und Planeten-getriebe

Ein Schneckengetriebe lenkt die Richtung der Rotation um 90° in einem engen Bauraum. In diesen Getrieben treten wesentlich höhere Gleitgeschwindigkeiten auf als in Stirnradgetrieben, darum sind die eingesetzten Materialien grundsätzlich unterschiedlich.
Eine Kunststoffschnecke gestaltet sich am schwierigsten, da Reibungswärme hier konzentriert auftritt. Für Kunststoffschnecken werden Kunststoffe mit minimaler Reibung und hoher Temperaturbelastbarkeit verwendet, wie zum Beispiel Tribocomp PA66 CF TS2 oder Tribocomp PEEK CF TS0. Im Regelfall sind dies unverstärkte Kunststoffe.

Wird eine Verstärkung benötigt, so wird diese in Kombination mit Schmiermitteln zugesetzt um Reibkoeffizient und Verschleiß zu minimieren.
Mit Planetengetrieben lassen sich sehr hohe Übersetzungen in engstem Bauraum realisieren. Zudem liegen Antrieb und Antriebsachse koaxial. Durch Anordnung mehrerer Stufen hintereinander sind die Übersetzungsverhältnisse weiter zu steuern. Das Kaiserslauterer Unternehmen verfügt über Werkstoffe sowohl für Hohlrad, Planetenträger, Planetenräder als auch Sonnenräder. Wichtig ist, dass die Werkstoffe auf einander eingestellt werden. Für Planetenräder werden eher weichere Werkstoffe eingesetzt, während für die Planetenträger vorzugsweise extrem steife Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Gehäuse und Lagerungen

Für Gehäuse werden aufgrund der Gewichts- und Geräuschreduktion zunehmend Kunststoffe verwendet. Neben Festigkeit spielt in diesem Bereich die Steifigkeit eine wichtige Rolle: Geringere Steifigkeit führt zu einer geringeren Eigenfrequenz, was zu unerwünschten Vibrationen und Geräuschentwicklung führt. Für Gehäuse bei denen Dimensionsänderungen durch Feuchteaufnahme unerwünscht sind, werden vor allem PBT-GF oder PP-LFT eingesetzt, für weniger kritische Anwendungen ist PA-GF der Werkstoff der Wahl. Für hochbelastete Anwendungen, wobei zudem die Temperaturen über 140°C ansteigen, kommt immer mehr PA-LFT zum Einsatz.

Neben den langglasfaserverstärkten Werkstoffen hat Epic Polymers jetzt Langkohlenstoff-Faserprodukte mit hoher Festigkeit und einem E-Modul von über 40 GPa entwickelt. Dieser Werkstoff wird für Gehäuse mit besonders hohen Anforderungen an Steifigkeit in Kombination mit geringem Gewicht eingesetzt.

Jedes Getriebe hat Lagerstellen. Die Thematik Slip-Stick gewinnt hier immer mehr an Bedeutung. Der Slip-Stick Effekt (Ruckgleiten) ist ein unerwünschtes Phänomen welches auftritt, wenn zwei Festkörper aufeinanderreiben. Die Folgen sind zum Beispiel Geräuschbildung (Quietschen), Vibrationen und ungleichmäßiges Laufen. Durch den zunehmenden Einsatz elektromechanischer Stellmechanismen, zum Beispiel im Fahrzeuginnenraum, führen Slip-Stick Effekte immer häufiger zu Problemen, vor allem in Gleitlagern, Spindelantrieben, Führungen oder Linearantrieben.

Die Ursache liegt im Unterschied der statischen und dynamischen Reibkoeffizienten einer Reibpaarung. Vor allem faserverstärkte Kunststoffe sind hier besonders anfällig. Die neue Tribocomp TS5-Produktreihe eliminiert, diese Slip-Stick Effekte. Diese Produkte sind verfügbar auf Basis vieler verschiedener Polymere, unter anderem PA66, PA6, PPA, PA4.6 oder POM. Ein konstanter Reibkoeffizient ist besonders wichtig in sensiblen Stellmechanismen, wobei Abweichung im Reibkoeffizienten zu Variationen beispielsweise in der Positionierung führen.

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