Hochleistungskunststoffe ohne Geräuschneigung

Frei von „Buzz, Squeak and Rattle“

Wie Hochleistungscompounds zur Knarzfreiheit beitragen. Knarzen aus den Tiefen des Armaturenbretts bei jeder Bodenwelle, quietschen der Mittelkonsole bei bestimmten Temperaturen und Knacken aus einem unbestimmbaren Bereich des Unterbodens – Störgeräusche können den Fahrkomfort und die Qualitätsanmutung eines Autos nachhaltig stören. Mit entsprechender Kunststoffwahl lassen sich solche unerwünschten Effekte deutlich reduzieren.

Hohen Aufwand stecken die Autohersteller in das hochwertige Ambiente ihrer Produkte – Nebengeräusche lassen sich mit Wahl passender Materialpaarungen vermeiden. (Bilder: Ter Hell)

Klänge sind ein wichtiges Marketinginstrument in der akustischen Markenführung. Jeder kennt das berühmte Knacken des Magnum Eises oder das 4-Klang-Logo von Audi. Sounddesign ist nicht nur in der Werbung wichtig. Beides ist auch untrennbar mit der Automobilindustrie verbunden. Bei BMW sind nach Unternehmensangaben rund 250 Mitarbeiter damit beschäftigt, Getriebe, Motoren und Fahrgestelle leiser zu machen. Andererseits legen einige Hersteller hohen Wert darauf, mit – vermeintlich – sportlichem Sound Fahrzeuge der eigenen Marke von weitem zu erkennen. Aber auch die Gestaltung des charakteristischen Geräusches des Zuschlagens einer Tür oder der Betätigung eines Bedienelements ist wichtig. Alle soundtechnisch optimierten Bauteile sind im besten Fall wie Instrumente in einem Orchester aufeinander abgestimmt und bilden eine Harmonie. Störgeräusche können diese Harmonie jedoch empfindlich beeinträchtigen. Eine Art dieser Störgeräusche trägt die Bezeichnung „Buzz, Squeak and Rattle“.

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Buzz, Squeak and Rattle
Knarzen und quietschen wird hervorgerufen vom Stick-Slip Effekt sich berührender Werkstoffoberflächen. Materialpaarungen werden durch äußere Kräfte wie Vibrationen angeregt und gehen in ein nicht gleichmäßiges, sondern zyklisches Haften und Gleiten über. Die Ursache sind Knarz- oder Quietschgeräusche. Diese treten oft aufgrund ungünstiger Kunststoff-Kunststoff- oder Kunststoff-Metall-Paarungen auf. Sie sind jedoch von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte beeinflusst. Die Reduktion der Umgebungsgeräusche führt zu einer deutlich höheren Wahrnehmungsempfindlichkeit im Fahrzeuginnenraum. Tendenziell ist die Knarzneigung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt höher als bei darüber liegenden Temperaturen. Die VDA 314 (Akustische Bewertung des Bremsknarzens im Fahrversuch) berücksichtigt dies mit Versuchsdurchführungsabschnitten, die das Knarzen im kalten Betriebszustand („Early Morning Knarzen“) und im warmen Betriebszustand simulieren. Die Prüfungen nutzen in der Regel den Temperaturbereich von -20 °C bis 100 °C.

Prüfkörper, wie er auf der Anlage SSP 02 eingesetzt wird.

Hochleistungskunststoffe bewerten
Die Einsatztemperaturen unter der Motorhaube oder im Antriebsstrang erfordern häufig Werkstoffe mit erhöhten Leistungen hinsichtlich Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit. Betrachtet wurden somit Formulierungen basierend auf Polyamiden mit erhöhten Glasübergangstemperaturen und erhöhten Schmelzpunkten.

Diese Produkte sind für den Einsatz im Hochtemperaturbereich geeignet. Um eine Knarzneigung bei Minus-Temperaturen in Kontakt mit Metall bestmöglich zu vermeiden, wurden diese Produkte zusätzlich tribologisch modifiziert. Der verwendete Wirkstoff ist über den gesamten Formteilquerschnitt fein verteilt und chemisch gekoppelt. Sogenannte Einschleifvorgänge zur Entfaltung optimaler tribologischer Eigenschaften sind nicht notwendig.

Geprüft wurde auf einem Zins-Ziegler Prüfstand SSP 02 entsprechend VDA 5 – Version 2010 – unter folgenden Prüfbedingungen:

  • Anpresskraft: 80 Newton
  • Schlittengeschwindigkeit: 1 mm/s, 8 mm/s
  • Temperatur : -20 °C
Funktionsprinzip des Prüfstands entsprechend VDA/5 zur Ermittlung der Knarzneigung von Werkstoffen.

Der Schlitten der Materialprobe A aus Metall wird relativ zu einem federnden Element mit der Materialprobe B (Kunststoff) bewegt. Das Bewegungsverhalten der Feder beim Wechsel zwischen Anhaften und Gleiten, ist ein Maß für die Stick-Slip-Neigung. Die Beurteilung geschieht in Form einer Risikoprioritätszahl (RPZ) auf einer Skala von 1 bis 10. Für die positive Bewertung einer Materialpaarung ist eine RPZ zwischen 1 und 3 erforderlich. Bei einer RPZ größer 6 ist mit deutlichen Geräuschemissionen zu rechnen.

Die Untersuchung konzentriert sich auf die gewählte Prüftemperatur von -20 °C, basierend auf der VDA 340, die diese tiefste Prüftemperatur vorschreibt. Die Ergebnisse zeigen recht deutlich, dass ein nicht modifiziertes PA66 mit einer Prüflast von 80 Newton – unabhängig von der Prüfgeschwindigkeit – die Risikoprioritätszahl 10 ergibt. Die jeweils notwendige maximale Beschleunigungsrate übersteigt die modifizierten Produkte teilweise um das zehnfache. Die Wahrscheinlichkeit einer deutlich hörbaren Knarzneigung wird somit sehr wahrscheinlich.

Prüfergebnisse für verschiedene Werkstoffe bei -20 °C.

Die tribologisch modifizierten Terez-Compounds zeigen dagegen Bestwerte. Unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit kommt es bei -20 °C zu niedrigen Risikoprioritätszahlen und somit auch zu einer sehr wahrscheinlichen Vermeidung von Knarzgeräuschen. Die erforderlichen Beschleunigungswerte liegen deutlich unter dem nicht modifizerten Produkt. Auch der dynamische Reibungskoeffizient (Dyn COF) zeigt ein Niveau, das im direkten Vergleich bei nur bis zu 50 Prozent liegt.

Die Ausrüstung zählt
Die Untersuchungsergebnisse zeigen laut Werkstoffanbieter, dass Hochleistungspolymere mit der richtigen Ausrüstung nicht nur hohen, sondern auch tiefen Temperaturen gewachsen sind. Somit kann die Knarzneigung durch die richtige Materialauswahl vermieden werden. Störgeräusche werden eliminiert und das Gesamt-Klangerlebnis in einem Fahrzeug positiv unterstützt.

Vergleich einiger Eigenschaften verschiedener tribologisch optimierter Hochleistungs-Kunststoffe.

Die Untersuchungen betreffen nur einen kleinen Ausschnitt möglicher Materialpaarungen. Der unkomplizierte Prüfaufbau ermögliche die schnelle Prüfung weiterer Materialpaarungen unter gegebenenfalls angepassten Prüfbedingungen. Somit könne schnell ein Rückschluss auf – aus akustischer Sicht – kritische oder unkritische Materialpaarungen gezogen werden.

Die dargestellten Compounds können je nach Anwendungsanforderung weiter modifiziert werden. Steifigkeiten, Festigkeiten, aber auch Chemikalienbeständigkeiten können gezielt erhöht werden. Mit Compounds der Terez-Reihe hat die Ter Plastics ihr tribologisches Portfolio um Hochtemperaturprodukte mit verminderter Knarzneigung erweitert.

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