Dichtungen für die nächste Generation von Elektroautos
Trelleborg Sealing Solutions hat intelligente Rotationsdichtungen für den Einsatz in Elektroantrieben entwickelt
Stuttgart, 20. Februar 2019: Trelleborg Sealing Solutions bringt mit HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 zwei Dichtungen speziell für Anwendungen in der Elektromobilität auf den Markt. Der Dichtungsspezialist erfüllt damit die hohen Anforderungen von Elektromotoren. Die Herausforderungen, die sich bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten ergeben, meistern die HiSpin-Varianten und ermöglichen so die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zu maximieren.
Im Jahr 2017 waren laut einer Studie von International Energy Agency (IEA) weltweit mehr als drei Millionen Elektrofahrzeuge unterwegs – diese Zahl soll bis 2030 von mindestens 125 auf bis zu 220 Millionen anwachsen. Dies hängt jedoch von funktionsfähigen Technologien ab, die es Elektrofahrzeugen ermöglichen, mit einer Aufladung dieselbe Reichweite zu erreichen, wie es Autofahrer von einem Verbrennungsfahrzeug gewohnt sind.
Der Elektromotor im Auto verändert hier – bedingt durch hohe Drehzahlen, sensible Elektronik und Automatikgetriebeöle – die Anforderungen an Rotationsdichtungen. Mit HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 hat Trelleborg Sealing Solutions zwei neue Dichtungen entwickelt, die dazu beitragen, die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen und der Massentauglichkeit von Elektrofahrzeugen einen großen Schritt näherzukommen.
Eine wichtige Technologie, 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 besondere 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 2.000 bis 4.000 Umdrehungen pro Minute. Elektroantriebe hingegen vier- bis achtmal schneller bei 15.000 bis 16.000 Umdrehungen pro Minute. Und in Zukunft wird sich diese Zahl voraussichtlich verdoppeln. Das Limit der Umfangsgeschwindigkeit für herkömmliche Dichtungen in der E-Achse heutiger Elektrofahrzeuge liegt bei 30 Metern pro Sekunde. Die theoretische optimale Umfangsgeschwindigkeit der E-Achse würde einen Wert größer 60 Metern pro Sekunde betragen, um deren Wirkungsgrad zu maximieren. Eine Geschwindigkeit, die derzeit nur mit sehr aufwendigen und teuren Konstruktionen erreicht werden kann.
„Unser Ziel für die neuen E-Mobility-Dichtungen war es, die akzeptablen Relativgeschwindigkeiten an der Welle auf mindestens 40 Meter pro Sekunde zu erhöhen. Beim HiSpin HS40 haben wir dieses Ziel erreicht, und mit dem HiSpin PDR RT schaffen wir es sogar auf 60 Meter pro Sekunde“, sagt Paul Taylor.
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.
„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“, sagt Colin Macqueen, Leiter des Entwicklungsprogramms HiSpin bei Trelleborg Sealing Solutions. „Die Entwicklung dauerte nur acht Monate – von der Zusammenstellung des Projektteams bis zur ersten Verfügbarkeit der Dichtungen für unseren Kunden.“
HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 sind beide für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsanwendungen vorgesehen – abhängig von den Betriebsparametern des elektrischen Antriebssystems und den speziellen Kundenanforderungen eignet sich eine Variante für ein bestimmtes System besser als die andere.
„Die Ergebnisse unserer umfangreichen Testreihen waren positiv“, sagt Matthias Keck, Director Technology & Innovation bei Trelleborg Sealing Solutions in Deutschland. „Bei beiden Dichtungen gab es trotz der anspruchsvollen Dichtungsbedingungen keine Leckage. Die HiSpin-Variante PDR RT wies sogar 75 Prozent weniger Reibung im Vergleich zur Standard-PDR-Dichtung auf und war mit 60 Metern pro Sekunde funktionstüchtig.“
Der HiSpin 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 Metern pro Sekunde hält die Dichtung so 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 Prototypen der Dichtung bestellen. Auch eine leitfähige Ausführung auf PTFE-Basis ist verfügbar.
Der HiSpin 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 HiSpin HS40 kann bei Geschwindigkeiten bis zu 40 Metern pro Sekunde eingesetzt werden, er passt sich der Exzentrizität der Welle an und lässt sich einfach montieren.
Weitere Informationen zur HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 finden Sie auf https://www.tss.trelleborg.com.