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Bidirektional und hydrodynamisch

Trockenlauffeste Dichtung für die nächste Generation Elektro-Autos

| Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Trelleborg Sealing Solutions hat intelligente Rotationsdichtungen für den Einsatz in zukünftigen Elektroantrieben entwickelt. Der Dichtungshersteller erfüllt damit heute schon die Anforderungen an Elektromotoren.

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Die Dichtung stellt Trelleborg mithilfe bewährter hauseigener XLT Fluorelastomer (FKM)-Materialmischungen her, die hohen Geschwindigkeiten und großen Temperaturschwankungen standhalten.
Die Dichtung stellt Trelleborg mithilfe bewährter hauseigener XLT Fluorelastomer (FKM)-Materialmischungen her, die hohen Geschwindigkeiten und großen Temperaturschwankungen standhalten.
(Bild: Trelleborg)

Laut einer Studie der International Energy Agency (IEA) waren im Jahr 2017 weltweit mehr als drei Millionen Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs – bis 2030 soll die Zahl auf mindestens 125 Millionen bis maximal 220 Millionen anwachsen. Dies hängt jedoch von Technologien ab, die es den Elektrofahrzeugen dann ermöglichen, mit einer Batterieladung dieselbe Reichweite zu erreichen, wie es Autofahrer von einem Verbrennungsfahrzeug gewohnt sind.

Reichweite auf Verbrenner-Niveau erhöhen

Der Elektromotor im Auto verändert hier – bedingt durch hohe Drehzahlen, sensible Elektronik und Automatikgetriebeöle – die Anforderungen an Rotationsdichtungen. Mit seiner Hi Spin PDR RT und Hi Spin HS40 hat Trelleborg zwei Dichtungen entwickelt, die dazu beitragen sollen, die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen und der Massentauglichkeit von Elektrofahrzeugen näherzukommen.

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Eine Kerntechnologie, die die Reichweite von Elektroautos erhöht, ist die E-Achse: eine Kombination aus Elektromotor und Getriebe, die in einen herkömmlichen Motorraum passt. Der Motor ist direkt mit dem Getriebe gekoppelt. Die Anforderung besteht darin, dass die Dichtung zwischen den beiden Komponenten das Schmiermittel des Getriebes aus dem trockenen Motorraum fernhält. Daher werden zwischen diesen beiden Komponenten zuverlässige Dichtungen benötigt.

„Da Elektromotoren bei hohen Geschwindigkeiten am effizientesten arbeiten, unterscheiden sich die Dichtungsanforderungen stark von denen für einen Getriebeeingang an einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor“, sagt Paul Taylor, Product Line Director bei Trelleborg Sealing Solutions.

Benzinmotoren laufen normalerweise bei 2000 min-1 bis 4000 min-1. Elektroantriebe hingegen vier- bis achtmal schneller bei 15.000 min-1 bis 16.000 min-1. In Zukunft wird sich diese Zahl voraussichtlich verdoppeln. Das Limit der Umfangsgeschwindigkeit für herkömmliche Dichtungen in der E-Achse heutiger Elektrofahrzeuge liegt bei 30 m/s. Die theoretische optimale Umfangsgeschwindigkeit der E-Achse würde einen Wert größer 60 m/s betragen, um deren Wirkungsgrad zu maximieren. Eine Geschwindigkeit, die derzeit nur mit sehr aufwendigen und teuren Konstruktionen erreicht werden kann.

„Unser Ziel für E-Mobility-Dichtungen war es, die Relativgeschwindigkeiten an der Welle auf mindestens 40 m/s zu erhöhen. Beim Hi Spin HS40 haben wir dieses Ziel erreicht, und mit dem Hi Spin PDR RT schaffen wir es sogar auf 60 m/s“, sagt Paul Taylor stolz. Eine weitere Herausforderung stellt das fehlende Schmiermittel im System dar. Im elektrischen Antriebssystem ist meistens nur wenig davon vorhanden – das stellt hohe Anforderungen an die Dichtung. Rotationsdichtungen werden nach Ruhephasen hohen Reibungskräften ausgesetzt, was zu Verschleiß, einer kürzeren Lebensdauer, Leistungsverlust sowie Einbußen bei der Reichweite des Fahrzeugs führen kann. Der Einsatz unterschiedlicher Schmiermittel im Elektroantrieb ist eine weitere Herausforderung, da nicht alle Dichtungsmaterialien mit den eingesetzten Mitteln kompatibel sind – wenn etwa wasserbasierte, dielektrische Mittel oder solche mit geringerer Viskosität ins Spiel kommen.

Deutlich reduzierte Reibung

„Für die Entwicklung der neuen E-Mobility-Dichtungen haben wir bei Trelleborg ein agiles Expertenteam zusammengestellt, um zeitnah eine Lösung zu entwickeln, die den hohen Drehzahlen von Elektrofahrzeugen sowie der variablen Schmiermittelversorgung standhalten kann. Die Hi Spin-Variante PDR RT wies 75 % weniger Reibung im Vergleich zur Standard-PDR-Dichtung auf und war mit 60 m/s funktionstüchtig“, sagt Colin Macqueen, Leiter des Entwicklungsprogramms Hi Spin bei Trelleborg Sealing Solutions.

Der Hi Spin PDR RT besteht aus zwei Teilen: einem präzisionsgefertigten Metallgehäuse und einem mechanisch eingepassten Turcon Polytetrafluorethylen (PTFE)-Dichtelement. Die Dichtung verfügt über eine maßgeschneiderte Lippe mit verbesserten Eigenschaften für eine höhere Leistung. Sie wurde so konzipiert, dass sie sich ideal an die Welle anlegt. Neben ihrer Funktionsfähigkeit bei Geschwindigkeiten von über 60 m/s hält die Dichtung damit auch starken Temperaturschwankungen stand. Sie ist druck- und chemikalienresistent, dank ihrer geringen Reibungswerte ist Trockenlauf möglich. Über einen jüngst eingeführten Rapid-Prototype-Service können Kunden die Dichtung jederzeit bestellen. Darüber hinaus steht auch eine leitfähige Ausführung auf PTFE-Basis zur Verfügung.

Der Hi Spin HS40 gehört zu einem Produkttypen, mit dem Automobilhersteller bereits vertraut sind. Mit einer bidirektionalen hydrodynamischen Dichtlippe hat die Lösung auch bei hohen Geschwindigkeiten nur ein geringes Reibungsmoment. Die Geometrie der Gummilippe und das flexible Design sind das Ergebnis umfangreicher FEA-Studien (Finite Elemente Methode). Sie ermöglichen einen optimalen Kontakt der Lippe zur Welle, wodurch eine maximale statische und dynamische Dichtleistung erzielt wird.

Die Dichtung stellt Trelleborg mithilfe bewährter hauseigener XLT Fluorelastomer (FKM)-Materialmischungen her, die hohen Geschwindigkeiten und großen Temperaturschwankungen standhalten. Sie ist mit zunehmend aggressiven synthetischen Automatikgetriebeölen (ATF) kompatibel und wird mittels eines bewährten Massenfertigungsprozesses hergestellt. Der Hi Spin HS40 kann bei Geschwindigkeiten bis zu 40 m/s eingesetzt werden, er passt sich der Exzentrizität der Welle an und lässt sich einfach montieren.

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