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Industri e Leichtba u
Schmierung von Kunststoffen
in Lenkung und Bremse
In der Automobilentwicklung werden immer häufiger Komponenten aus Kunststoff verwendet.
Denn Kunststoffe bieten einen Gewichtsvorteil und ermöglichen durch die Variationsbreite in der
Formgebung viele Konstruktionen. Aufgrund möglicher Wechselwirkungen zwischen Kunststoff
und Schmierstoff ist es sinnvoll, bei der Neuentwicklung insbesondere von sicherheitsrelevanten
Komponenten wie elektromechanischer Lenkung und Bremse frühzeitig einen Schmierstoff­
experten wie Klüber Lubrication einzubeziehen.
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autoren
Dr. Jan Peter Robert
ist Mitarbeiter in der Forschung und
Produktentwicklung der Klüber
Lubrication KG in München.
Dipl.-Wirt.-Ing. (FH)
­F ranz ­K ünzner
ist Mitarbeiter in der Geschäfts­
einheit Automobilindustrie der
Klüber Lubrication KG in München.
Ausgangsposition
Ungeeignete Schmierstoffe können an
Kunststoffbauteilen Schäden verursachen.
Klassische Schadensbilder sind Quellung,
Spannungs­risse, thermo-oxidative Alterung und chemische Korrosion. In Folge
solcher Schädigungen ist meist eine Veränderung der mecha­­nischen Eigenschaften
des Kunststoffs zu beobachten. Durch systematische Untersuchungen konnten bislang zahlreiche Schmierstoffkomponenten
– spezielle Grundöle, Additive und Ver­
dicker – identifiziert werden, die ganz
bestimmte Kunststoffschäden hervor­rufen.
Darüber hinaus wurden jedoch auch synergistische Effekte erkannt und genutzt. So
können zum Beispiel bestimmte Grundöle
eine Spannungsrissbildung verzögern oder
gar vermeiden.
Trotz aller aktuell verfügbaren Erkenntnisse kann die Schmierung von thermoplastischen Materialien eine nicht zu
unterschätzende Herausforderung für die
Entwicklung von Schmierstoffen darstellen. Dies vor allem aufgrund der erwähnten Wechselwirkungen sowie der Vielzahl
an möglichen Inhaltsstoffen beider Materialien und der daraus entstehenden Kombinationsmöglichkeiten. Zudem kommt es
vor, dass nur die pauschalisierten Kunst­
stoffbezeichnungen bekannt sind. Detailinformationen sind aber wichtig. Zum
❶Unterschiedliche Schmierstoff­konzepte können sich auf die mechanischen
­Eigenschaften von Polyamid auswirken, wie die Ergebnisse von Einlagerungs­versuchen
(bei 140 °C über einen Zeitraum bis 2000 h) zeigen; betrachtet wurde die Änderung
der Zugfestigkeit
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113. Jahrgang
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❷Polyoxymethylen-Homopolymer nach Trocken­
lagerung (links) und nach Schmierstoffeinwirkung
(rechts), 1000 h/100 °C
eine bessere Chemikalienbeständigkeit
aufweisen, haben sie im direkten Vergleich Nachteile in der mechanischen
Festigkeit. So ist aus Sicht der Beständigkeit meist ein Copolymer dem Homo­
polymer vorzuziehen. Für die Schmierung ist es daher wichtig, den genauen
POM-Typen zu kennen. Unter starker
mechanischer Belastung neigt POM zur
Spannungsrissbildung, dies wird in der
Regel durch Schmierstoffe verstärkt, ❸.
In einigen Fällen kann durch den gezielten Einsatz bestimmter Öl-Typen diese
Spannungsrissneigung verringert werden.
Das geht jedoch zu Lasten der mechanischen Festigkeit. Das POM muss allerdings selbst eine Mindestvis­kosität aufweisen, um diesen Effekt zu ermöglichen.
Im Fahrzeugbau werden POM-Werkstoffe
zum Beispiel für die ­Herstellung von
Schalthebeln für Licht oder Blinker sowie
in Fensterhebern, T­ürschlosssystemen
und Gelenkschalen genutzt.
❸Typisches ­Schadensbild bei ­Spannungsrissen
Praxisrelevante
­Betrachtungen
Beispiel, ob es sich bei einzelnen Kunststoffen um Co- oder Homopolymere handelt und ob sie hoch- oder niederviskos
oder glasfaserverstärkt sind. Diese Informationen sind in der Regel nur den spezifischen Produktinformationen des Kunststoffherstellers zu entnehmen. Einen Einblick in die Komplexität der Thematik
Kunststoff und Schmierstoff gibt beispielhaft die Betrachtung der Auswirkungen
unterschiedlicher Schmierstoffe auf
mechanische Eigenschaften von Polyamid, ❶, sowie eines PolyoxymethylenHomopolymers, ❷.
Polyoxymethylen (POM) ist ein in der
Automobilindustrie verbreitet eingesetzter technischer Kunststoff. Die wohl
wichtigsten Eigenschaften des Werkstoffs
sind seine geringe Wärmeausdehnung,
geringe statische Aufladung und die im
Allgemeinen hohe Chemikalienbeständigkeit. Bei tribologischen Anwendungen
punkten die geringen Reibkoeffizienten
und die hohe Verschleißfestigkeiten des
Werkstoffs. Dem gegenüber steht allerdings eine nicht zu unterschätzende
Spannungsrissneigung bei starker mechanischer Beanspruchung. Bei POM muss
zwischen Co- und Homopolymer unterschieden werden. Während die Copolymere im Vergleich zum Homopolymer
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Die Entwicklung innovativer Fahrzeugkomponenten, die auch unter extremen
Rahmenbedingungen dauerhaft funkti­
onieren müssen, stellt die Tribologie vor
immer neue Aufgaben. Oft wird mit einer
Schmierstoff-Neuentwicklung eine angestrebte technische Lösung sogar erst
­er­­möglicht. Ein Beispiel dafür ist die
elektro­mechanische Lenkung (EPS), die
seit einigen Jahren die hydraulisch unterstützte Servolenkung schrittweise ablöst.
Die elektromechanische Lenkung nutzt
statt einer Hyd­­raulikpumpe einen Elektromotor, der nur dann Energie verbraucht,
wenn tatsächlich eine Servounterstützung
benötigt wird.
Im konkreten Fallbeispiel besteht das
Getriebe der Antriebseinheit einer elektromechanischen Lenkung aus einer Schnecke aus Stahl und einem Schneckenrad
aus Polyamid 6.6, ❹. Konstruktionsbedingt befindet sich dieses Schneckengetriebe entweder im Motorraum oder weiter oben an der Lenksäule. Die Einbaulage
hat aufgrund unterschiedlicher Temperaturbeanspruchungen Einfluss auf den zu
verwendenden Schmierstoff. Befindet sich
das Getriebe im Motorraum, muss ein
Hochtemperaturfett verwendet werden,
das den Kunststoff vor zu starker thermooxidativer Alterung schützt. Sitzt das
Getriebe hingegen weiter oben an der
Lenksäule, steht ein speziell für diese Einbaulage entwickeltes Spezialfett mit dem
Namen Klübersynth LE 44-31 zur Verfügung. Es zeichnet sich durch niedrige
Reibwerte und einen ho­­hen Verschleißschutz in der Materialpaarung Stahl und
Kunststoff aus.
Die elektromechanische Bremse ist ein
weiteres aktuelles Beispiel für die Herausforderungen, vor die die Tribologie
durch die Entwicklung neuer Komponenten ­ge­­stellt wird. Die elektromechanische
Bremse setzt sich aus senkrecht eingebauten Axial­lagern, Kugelgewindetrieb
sowie aus Planetengetrieben zusammen.
Dafür musste ein Schmierstoff entwickelt
werden, der an jeder der vorhandenen
❹EPS-Schneckengetriebe mit Schnecke aus Stahl und Schneckenrad aus PA 6.6
Schmierstellen mit ihren aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Reibpartnern seine Aufgabe erfüllt. Für die Langzeitschmierung der hoch belasteten
Bremseinheiten mit Drive-by-wire-Technologie entwickelte Klüber ein Hochtemperaturfett mit dem Namen Klübersynth
BR 46-82. Es erfüllt nicht nur die von
den Kunststoffen vorgegebenen Bedingungen, sondern bewältigt gleichzeitig
die hohen mechanischen Anforderungen
und Dauertemperaturen mit Temperaturspitzen von bis zu 250 °C.
AusblIcK
Bei Klüber Lubrication in München
werden Schmierstoffe in intensiver
Forschungsarbeit für die Anforderungen
der Kunden entwickelt und getestet.
Klüber verfügt über weit mehr als 100
Prüfstände, um die Verträglichkeit und
Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen zu
erproben. Sowohl DIN-ISO-Prüfungen als
auch kundenspezifische Prüfungen an
Originalbauteilen und -werkstoffen werden dort durchgeführt.
Gerade im sicherheitsrelevanten Automobilbereich ist dieser Aufwand für auf
den Einsatzfall entwickelte und getestete
Schmierstoffe von großer Bedeutung:
Nur mit einem passenden Schmierstoff
kann ein störungsfreier Betrieb der Komponenten über die geforderte Lebensdauer erzielt werden. Durch frühzeitige
Kooperation von Komponenten- und
Schmierstoffherstellern ist es möglich,
innovative und kostengünstige Lösungen
auf Basis konventioneller Chemie für das
Automobil voranzutreiben. Klüber unterstützt Entwickler von Automobilkomponenten bei der Umsetzung ihrer Konzeptionen mit tribologischen Lösungen für
neue Materialien und Werkstoffpaarungen sowie für erweiterte Leistungsanforderungen.
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31. EFB-Kolloquium Blechverarbeitung 2011
Hochfeste und hybride
Materialien
Schnelle Umform- und
Fügeverfahren
29. und 30. März 2011
in Bad Boll
> Leichtbau mit hybriden Werkstoffen <
> Werkzeuge, Maschinen, Methoden <
> Warmumformung und hochfest <
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113. Jahrgang
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