Torlon PAI-Werkstoffe

Dem Kunststoffmotor einen Schritt näher

Hochleistungskunststoff ersetzt Metall im Antrieb. Ein neu konstruiertes Nockenwellenrad aus Polyamidimid (PAI) substituiert die herkömmliche Metallkonstruktion. Es soll den Polimotor-2-Konstrukteuren helfen, das Gewicht zu senken, Geräusche und Vibrationen zu reduzieren und die Standzeit des Zahnriemens zu verlängern.

Beim Nockenwellenrad für das „Polimotor 2“-Projekt substituiert ein Polyamidimid (PAI) die herkömmliche Metallkonstruktion. (Bild: Solvay Specialty Polymers)

Der „Kfz-Innovator“ Matti Holtzberg und sein Team verfolgen das Ziel, für ein Rennen im Jahr 2016 den Vollkunststoffmotor – den „Polimotor“ – der nächsten Generation zu bauen. Innovative Veränderungen und Neukonstruktionen sollen dazu den Weg ebnen. Ein hochbelastetes Bauteil, das Nockenwellenrad, wurde nun aus einer von Sponsor Solvay unter der Marke Torlon vertriebenen, kohlefaserverstärkten PAI-Variante gefertigt. Der Hochleistungskunststoff ersetzt die bisherige Metallkonstruktion.

PAI von Solvay habe schon eine entscheidende Rolle im ersten Polimotors in den frühen 1980ern gespielt. Seitdem wurden Kenndaten und Variantenbreite deutlich erweitert. Die nun eingesetzte Kohlenstofffaser-verstärkte Torlon-Variante sei es möglich gewesen, ein mechanisch hochbelastbares, aber extrem leichtes Nockenwellenrad zu entwickeln. Weitere innovative Anwendungen sind für die nächsten Monate angekündigt.

Die Rohlinge wurden von Allegheny Performance Plastics spritzgegossen. Die Endbearbeitung übernahm die Gates Corporation, Hersteller von Antriebsriemen und Fluidtechnikprodukten, der das Konzept einer Geradverzahnung umsetzte, die den Verschleiß reduziert und die Drehmomentübertragung zwischen Zahnrad und Riemen optimiert. Im Polimotor 2 kommen zwei Nockenwellenräder mit 102 Millimeter Durchmesser sowie ein weiteres 51-Millimeter-Zahnrad im Ventiltriebsystem zum Einsatz.

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Nockenwellenräder werden über einen Zahnriemen von der Kurbelwelle angetrieben, um den synchronen Lauf von Nocken- und Kurbelwelle sicherzustellen. Obwohl die Nockenwellenräder laufend hohen Drehmomenten, extremen Temperaturen und Vibrationen sowie Schmutz, aggressiven Medien und Streusalz ausgesetzt sind, müssen sie eine präzise kontrollierte Nockensteuerung sicherstellen, um den Motor vor Schäden zu schützen.

Nockenwellenräder werden konventionell aus Sinterstahl oder Aluminium und gelegentlich auch aus phenolischen Duroplasten hergestellt. Bei den Getriebezahnrädern für Polimotor 2 fiel die Wahl auf Torlon 7130 PAI, ein Ultra-Hochleistungsmaterial mit 30 Prozent Kohlefaseranteil. Der Werkstoff bietet laut Hersteller hohe Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit bis 275 °C. Die Kennwerte erreichen bei der spezifischen Festigkeit 1,4x105 J/kg bei einer spezifischen Steifigkeit von 6x107 J/kg. Zum Vergleich: Edelstahl bietet eine spezifische Festigkeit und Steifigkeit von 3,1x107 J/kg bzw. 24x106 J/kg. Somit lässt sich bei Einsatz des Kunststoffs am Nockenwellenrad gegenüber einer 1,1 Kilogramm schweren Edelstahlkonstruktion mit vergleichbaren mechanischen Eigenschaften eine Gewichtsersparnis von 75 Prozent erreichen.

Im Gegensatz zu Metallen ist der Kunststoff nicht wärmeleitend, was längere Riemenstandzeiten ermöglicht. Das Material eliminiert auch die Gefahr von Absplitterungen, die beim Einsatz phenolischer Werkstoffe auftreten können, da diese spröder sind. Hinzu kommen die gute Ermüdungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit des Hochleistungs-PAI bei erhöhten Drücken und Geschwindigkeiten, was zur Geräusch- und Vibrationsdämpfung beiträgt. Das Polymer bietet laut Datenblatt außerdem umfassende Chemikalienbeständigkeit gegen typische Kfz-Medien.

Im Rahmen der Bestrebungen zum Downsizing von Kfz-Motoren stoßen die Hochleitungskunststoffe als metallsubstituierende Lösungen auf starke Akzeptanz bei den Originalausrüstern (OEM). Die fortschrittlichen Materialien sind wirtschaftlicher, sparen Gewicht und helfen den OEM, strengere Flottenverbrauchsregelungen (CAFE) und CO2-Emissionsnormen zu erfüllen – beides von oberster Priorität für die Automobilindustrie in den nächsten zehn Jahren und sicher auch darüber hinaus.

So werden sie inzwischen in Automatik- und Doppeklkupplungsgetrieben eingesetzt, wo erhöhte Drücke und Geschwindigkeiten auch wärmebeständigere Materialien mit hoher Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit erfordern. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Metallsubstitution bei Nadellagern. Hier können die PAI Gewicht und Einbauraum sparen, was kompaktere Getriebe als mit Aluminiumgussteilen ermöglicht.


Das Projekt Polimotor
Ziel des Polimotor-2-Projekts ist die Entwicklung eines 4-Zylinder-Vollkunststoffmotors mit doppelter obenliegender Nockenwelle, der mit einem Gewicht zwischen 63 und 67 Kilogramm etwa 41 Kilogramm leichter sein soll als ein vergleichbarer heutiger Serienmotor. Einschließlich der aktuellen Nockenwellenräder wird das Projekt von Matti Holtzberg die Polymertechnologie von Solvay für bis zu zehn Anwendungen nutzen, darunter in Wasserpumpe, Ölpumpe, Wasserkreislauf, Drosselklappen, Einspritzdüsen und andere Hochleistungsbauteilen. Zu den Materialien, die dafür voraussichtlich zum Einsatz kommen, zählen neben PAI auch Polyphthalamid (PPA), Polyetheretherketon (PEEK), Polyaryletherketon (PAEK), Polyphenylsulfon (PPSU), Polyphenylensulfid (PPS) und VPL-Fluorelastomere von Solvay.

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