Wichtige Aspekte eines erfolgreichen Antriebskonzepts auf Basis thermoplastischer Zahnräder (Teil 1)

So wie bei vielen anderen Produkten auch, muss ein erfolgreicher Ersatz von Metall durch eine thermoplastische Zahnradlösung im Antriebssystem wirtschaftlich überzeugen, technisch machbar sein und einen erstrebenswerten Leistungsvorteil bieten. Aber was bedeutet das tatsächlich [für die Praxis] im Hinblick auf eine thermoplastische Getriebelösung, etwa in einem Nebenantrieb für Kraftfahrzeuge?

Zunächst ein paar hilfreiche Erklärungen vorweg:

• Getriebeanwendungen: Grundsätzlich handelt es sich bei einem Zahnradgetriebe um ein mechanisches System zur Übertragung von Bewegung und Kraft. Jedes Zahnradgetriebe besitzt Aspekte von beiden. Für unsere Betrachtung unterscheiden wir zwischen jenen mit Hauptfunktion Antrieb wie bei einem Drosselklappenantrieb und jenen, deren Hauptfunktion die Übertragung mechanischer Kraft ist wie in einem Fahrzeuggetriebe. Letzterem widmet sich schwerpunktmäßig dieser Beitrag.

• Zahnradlösungen: Anfänglich mag es seltsam erscheinen, eine einzelne Getriebekomponente als „Lösung“ zu bezeichnen, da sie vom Gesamtsystem abhängt, um eine Funktion zu erfüllen. Jedoch ist es gerade diese gegenseitige Abhängigkeit von System und Zahnrad, die eine Einzelkomponente von einer Komplettlösung unterscheidet. Der Erfolg einer Komplettlösung wird nicht an einer einzelnen Komponente gemessen, sondern an der Gesamtleistung des Systems, das diese Komponente enthält. So wird der Geräuschpegel einer Komplettlösung nicht allein am Geräusch des Zahnrads gemessen, sondern am Geräuschpegel des Systems, in dem sich die Komponente befindet. Ebenso wenig würden geringere Teilekosten, die zu erhöhter Komplexität und damit zu höheren Systemkosten führen, als wirtschaftlich attraktiv angesehen werden. Wir können die Zahnradlösung als eine zuverlässige, quantitative Verbesserung des Systems betrachten, einschließlich Fertigung, Lieferung, Bereitstellung, Montagelogistik und Effizienz. 

Was macht also eine erfolgreiche thermoplastische Zahnradlösung in einem Antriebssystem aus? Nun, das erfordert eine ganzheitliche Betrachtung und Berücksichtigung der folgenden Faktoren.

Gezielte Leistungsoptimierung

Zuallererst sollte ein erfolgreiches Zahnradkonzept die Gesamtsystemleistung auf quantifizierbare Weise verbessern. Für ein thermoplastisches Zahnrad, das ein Metallzahnrad oder -zahnradsystem ersetzt, ist dies üblicherweise einer der folgenden Parameter:

• NVH-Optimierung: NVH (Noise, Vibration, Harshness), also, vereinfacht ausgedrückt, Geräuschentwicklung und Vibrationen, gibt an, wie ein System oder Fahrzeug für den Endnutzer klingt und sich anfühlt. Dies gilt häufig als Maß für die Fahrzeugqualität, insbesondere in Zeiten zunehmender Elektrifizierung, in denen Vibrationen und Geräusche nicht länger vom sportlichen Brummen des Verbrennungsmotors verdeckt werden. Thermoplaste besitzen im Vergleich zu Metallen wesentlich elastischere mechanische Eigenschaften und bieten durch die Spritzgießfertigung höhere Flexibilität bei der Konstruktion. Daher sind ausgereifte thermoplastische Zahnradlösungen häufig in der Lage, Getrieberasseln zu mildern und die NVH-Übertragung in einem Ausmaß zu dämpfen, das selbst mit komplexesten Metallgetriebesystemen nicht zu erreichen ist. Allerdings entscheidet NVH des Systems über Erfolg oder Misserfolg einer thermoplastischen Getriebelösung. Daher muss jedes Getriebe auf die NVH-Merkmale des Systems abgestimmt sein, um sicherzustellen, dass gekoppelte NVH-Effekte wie Resonanzen vermieden werden.

• Gewichts- und Trägheitsreduzierung: Das Gewicht einzelner und die Trägheit rotierender Komponenten wirken sich direkt und indirekt auf die Fahrzeugeffizienz aus. So trägt das Bauteilegewicht unmittelbar zum Fahrzeuggesamtgewicht bei. Die Gewichtsreduzierung in einem bestimmten Bauteil kann entweder einer wertvolleren Komponente (z. B. einer Batterie in einem Elektrofahrzeug) zugewiesen oder zur Erhöhung der Fahrzeugleistung vollständig eliminiert werden. Die Rotationsträgheit führt, vorausgesetzt das System ist nicht regenerativ, zu einem Energieverlust und einer Verlängerung der Reaktionszeit während der Systembeschleunigung. Für eine thermoplastische Zahnradlösung sind häufig Gewichtsreduzierungen von 40 Prozent und Trägheitsreduzierungen von 60 Prozent im Vergleich zu einer äquivalenten Metallgetriebelösung erreichbar.

Zugegeben: Wirtschaftliche Rentabilität und technische Umsetzbarkeit sind weitere wichtige Faktoren. Genau aus diesem Grund widmet sich Teil 2 des Blogbeitrags einer innovativen, schlüsselfertigen Lösung für hochpräzise thermoplastische Zahnräder.

Über den Autor

Joseph Elmquist kam 2013 als leitender Konstrukteur und technischer Leiter für die Entwicklung neuer Produkte für thermoplastische Zahnräder und thermoplastische Composite-Zahnräder zu Kleiss Gears. Nach der Übernahme von Kleiss durch Victrex im Jahr 2015 leitete er weiterhin die technische Entwicklungsarbeit für thermoplastische Antriebsanwendungen, was 2017 zur erfolgreichen Einführung der ersten VICTREX PEEK-Zahnräder für die Kraftübertragung bei Fahrzeugantrieben führte. Joseph Elmquist besitzt einen BS-Abschluss in Engineering Mechanics und einen MS-Abschluss in Mechanical Engineering mit Schwerpunkt auf nichtlineare, dynamisch-mechanische Systeme der University of Wisconsin-Madison..

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