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Getriebeteile aus Kunststoff - Verteilergetriebe-Gehäuse für Allradler aus Kunststoff

Getriebeteile aus KunststoffVerteilergetriebe-Gehäuse für Allradler aus Kunststoff

Strukturbauteile mit hoher Funktionsintegration schaffen.  Auch an hochbelasteten und funktionsintegrierten Fahrzeugkomponenten lassen sich mit Hilfe von Kunststoffen Gewichtsreduktion erzielen. Magna Powertrain nutzte das Potenzial bei der Neukonstruktion und Auslegung von Gehäusekomponenten für Verteilergetriebe von Allradfahrzeugen.

Verteilergetriebe-Gehäuse

Eine der größten Herausforderungen bei der Weiterentwicklung von elektrisch oder konventionell angetriebenen Fahrzeugen liegt weiterhin in der konsequenten Reduktion des Gewichts – trotz Steigerungen von Leistung und Sicherheit. Im Durchschnitt können durch Einsatz von Kunststoffen in modernen Fahrzeugen etwa 100 bis 200 Kilogramm Gewicht eingespart werden (Quelle: FCIO – Fachverband der Chemischen Industrie Österreichs). Bei einzelnen Bauteilen kann die Gewichtsreduktion bis 50 Prozent erreichen.

Diese (optimistische) Prognose und die ständig steigenden Anforderungen an die Gewichtsreduktion motivierte die Magna Powertrain, neue Anwendungsmöglichkeiten für Kunststoffe in Fahrzeugkomponenten zu finden. Erklärtes Ziel der Machbarkeitsstudie ist die Bewertung des Einsatzes von Kunststoff als Gehäusematerial im Verteilergetriebe, um konventionelle Aluminiumdruckguss-Komponenten zu ersetzen. Gerade dieses Anwendungsfeld von Kunststoffen werde von vielen Ingenieuren bis dato stark vernachlässigt.

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Durch Einsatz neuer, innovativer Werkstoffe und Fertigungstechnologien sei die Umsetzung leichterer, sauberer, preiswerter und fortschrittlicher Gehäusekomponenten möglich. Damit einhergehen muss eine völlige Neugestaltung der Teile unter Integration mehrerer Funktionen. Zusätzlich bietet die Umsetzung derartiger Konzepte die Möglichkeit, sich eindeutig vom Wettbewerb abzugrenzen und zeigt den hohen Grad an Innovation.

Einbaulage der Baugruppe

Unter diesen Gesichtspunkten ist auch das Potenzial einer vergleichsweise umweltfreundlichen Produktion zu sehen, da der CO2-Ausstoß, die Reduktion von Abfall (Spänen und anderen) sowie Hilfsstoffen (Reinigung, Emulsionen) gegenüber Aluminiumdruckguss zu berücksichtigen ist.

Thermische, mechanische und chemische Anforderungen
Herausforderung beim Einsatz von Kunststoffen für Strukturbauteile, und das sind die Getriebegehäuse, resultieren unter anderem aus den späteren Einsatzbedingungen, aber auch aus den Anforderungen der Montagetechnik. Auf das fertige Bauteil wirken beispielsweise hohe Betriebstemperaturen bis 170 Grad Celsius und die sehr exponierte Einbaulage zwischen den Abgasrohren. Zusätzlich erschwert die direkte Verschraubung an das Hauptgetriebe, und die damit verbundene Wärmeeinwirkung, die Realisierung.

Vom thermischen Gesichtspunkt gilt es nicht nur die eingeschränkte Wärmeabfuhr des Aggregates sondern auch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen Kunststoff- und Aluminiumgetriebehälfte zu berücksichtigen, da diese einen großen Einfluss auf das Design des Flächendichtkonzepts hat. Gleichzeitig mit der Wärmeausdehnung in Bezug zur Dichtheit ist auch ein Mitdrehen des eingepressten Wälzlageraußenrings über den gesamten Betriebstemperaturbereich zu verhindern, um erhöhten Abrieb auszuschließen und damit einen negativen Einfluss auf das tribologische System zu vermeiden.

Ergebnis des Entwicklungsprozesses

Aber auch chemische Anforderungen durch die vollsynthetischen Getriebeöle, die sehr aggressive Additive enthalten, und die Wechselwirkung zwischen Dichtmittel und Kunststoff bieten einige Herausforderungen. Umwelteinflüsse wie UV-Licht durch Reflexion, Beaufschlagung mit Schwall- und Spritzwasser oder Salz, die bei herkömmlichen Getriebeausführungen in Aluminium ausreichend abgesichert sind, mussten in diesem Fall sehr genau betrachtet und geprüft werden.

Festigkeitsmäßig ist, abgesehen von Struktursteifigkeit und Lebensdauerfestigkeit, die Komponente auch für typische, dynamische Belastungen, wie Beschuss mit Schlamm und Steinen, Fahrzeugcrashs und anderen auszulegen.

Ein kunststofftypischer Vorteil von Kunststoffen, ist die Eigenschaft der akustischen Dämpfung, jedoch in Verbindung mit einer reduzierten Gesamtsteifigkeit. Diese Veränderung muss jedoch auf den ganzen Antriebstrang hinsichtlich seines Schwingverhaltens als auch seiner veränderten Eigenfrequenzen sowohl durch Simulation als auch messtechnisch geprüft und optimiert werden.

Der derzeitige Entwicklungsstand ist ein Getriebegehäusedeckel aus Polyamid 6.6 mit einem 35 Prozent Glasfaseranteil, der den Aluminiumdruckguss-Deckel ersetzt. Für die Schraubpunkte, die einerseits die beiden Getriebehälften miteinander verbinden, andererseits das gesamte Modul an das Hauptgetriebe flanschen, werden Metallhülsen in die Kavität eingelegt und umspritzt. Die Hülsen sind mit einer Beschichtung zum Korrosionsschutz versehen. Die Integration des Wälzlagers geschieht derzeit durch Einpressen in das Gehäuse. In einer nächsten Generation ist eine Umspritzung des Lagers vorgesehen. Zur Abdichtung der Fügestelle zwischen Kunststoffgehäuse und Aluminiumdruckguss-Gehäuse dient derzeit ein Dichtmittel auf Silikonbasis. In der fortführender Entwicklung wird der Einsatz der 2K-Technik in Kombination mit einem Elastomer angestrebt.

Erprobung bestätigt Annahmen – höhere Funktionsintegration
Im Zuge der Entwicklung wurden Erprobungen an Prototypen durchgeführt. Dazu gehörten Basisuntersuchungen der Einzelkomponente hinsichtlich Werkstoffeignung (Schwindung, Kriechen, Wasseraufnahme, Ölverträglichkeit), als auch Aggregateerprobungen am Prüfstand bezüglich Dauerfestigkeit, Temperatur und Einfluss auf das tribologische System. Zusätzlich ergänzten Versuche im Fahrzeug im Zuge von Wintererprobungen und Highspeedfahrten auf der Teststrecke die Absicherung der Komoponente.

Da die Entwicklung des Kunststoffdeckels parallel zum Aluminiumdeckel lief, kann über den gesamten Entwicklungszeitraum in allen Phasen ein direkter Vergleich zwischen beiden Varianten (Aluminium und Kunststoff) hergestellt werden. Alle bisherigen Testergebnisse zeigen im Vergleich zur Aluminiumvariante, dass es zu keinerlei Einschränkungen, sowohl hinsichtlich der Funktionalität und der Temperatur als auch der Akustik, kommt. Die Kunststoffvariante erfüllt alle technischen Forderungen.

Ein zusätzlicher Vorteil der Kunststoffvariante ist die erhöhte Gestaltungsfreiheit, die Near-Netshape-Formgebung und die Möglichkeit der Funktionsintegration im Spritzgießverfahren. Diese Tatsache ermöglicht die Reduktion der Anzahl von Bauteilen, eine Verkürzung der Prozesszeiten und damit letztlich eine deutliche Reduktion der Herstellkosten.

Das vorliegende Gehäusekonzept liefert einen Gewichtsvorteil von rund 25 Prozent gegenüber der Aluminiumdruckguss-Version des Bauteils. Damit besteht ein entsprechender Kostenvorteil über die Laufzeit aufgrund eines günstigeren Grundwerkstoffs. Außerdem seien die Beschaffungskosten einer Spritzgießform im Vergleich zu einer Aluminiumdruckgussform deutlich niedriger und die Werkzeugstandzeiten erheblich höher, was eine weitere Einsparung über die Laufzeit bedeutet.

Weitere Optimierungen sind möglich
Vom produktionstechnischen Standpunkt eröffnet diese Variante eines Verteilergetriebes die Möglichkeit eines Lean Ansatzes durch Integration des Kunststoffspritzgießens in die Montagelinie mit den damit verbunden Vorteilen der Reduktion von Lagerkosten, Vermeidung von Verpackungs- und Gebindekosten und der Vermeidung von Transportkosten.

Die vorliegende Ausführung umfasst die erste Entwicklungsgeneration des Verteilergetriebes mit einem Kunststoffgehäuse, die noch weitere Optimierungsmöglichkeiten aufzeigt. So sind die nächsten Ziele die Integration weiterer Bauteile in den Spritzgießprozess wie Wälzlager, Radialwellendichtring und weitere Ölleiteinrichtungen sowie die Substitution von derzeit noch in Metall bzw. Silikon ausgeführten Bauteilen wie Passstifte und Dichtmittel.

Alle gezeigten Aspekte verdeutlichen, dass ein Getriebegehäuse bzw. Gehäuseteile aus Kunststoff bei Selektion des richtigen Anwendungsfalls und konstruktiven Maßnahmen technisch möglich ist. Eine Fortführung der Entwicklung durch Einsatz der 2K-Technik für eine integrierte Elastomer-Dichtung wird angestrebt.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Reinhard Doni, Magna Powertrain

Kontaktdaten:
MAGNA Powertrain GmbH & Co KG, Plant Lannach
Industriestraße 35
A-8502 Lannach
Mobil: +43 (0) 664 / 80444-7515
Fax: +43 (0) 50444-3148
E-mail: reinhard.doni@magna.com
Homepage: http://www.magnapowertrain.com

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