Die Anforderungen an Materialien und Dichtungslösungen in elektrischen Antriebssystemen übertreffen häufig die in Verbrennungsmotoren. Trelleborg bietet ein Werkstoffportfolio und Entwicklungskompetenzen, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Bildquelle: alle Trelleborg

Die Anforderungen an Materialien und Dichtungslösungen in elektrischen Antriebssystemen übertreffen häufig die in Verbrennungsmotoren. Trelleborg bietet ein Werkstoffportfolio und Entwicklungskompetenzen, um diese Anforderungen zu erfüllen.
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Die Elektromobilität boomt. In kontinuierlicher Zusammenarbeit mit den Kunden entwickelt der Dichtungshersteller Trelleborg Sealing Solutions Lösungen, die speziell auf solche E-Mobility-Anwendungen zugeschnitten sind. Insbesondere Hochleistungs-Rotationsdichtungen, die den extremen Anforderungen im elektrischen Antriebsstrang gewachsen sind, gehören zur Kernkompetenz des Unternehmens.
Gegenüber konventionellen Systemen haben elektrische Antriebe einen enormen Entwicklungsbedarf. Dabei sind die Anforderungen an Komponenten in Elektroantrieben teilweise erheblich höher. In der E-Achse, der Kombination von Motor und Getriebe, rotieren Wellen mit Umlaufgeschwindigkeiten von bis zu 40 m/s. In Zukunft könnte sich dieser Wert sogar noch auf bis zu 60 m/s erhöhen. Gleichzeitig ist eine Schmierung nur begrenzt möglich. Dadurch sind die Dichtungen, die dafür sorgen, dass das Getriebe während des Betriebs ausreichend geschmiert ist, während der Motor trocken bleibt, hohen Reibungskräften und Stick-Slip-Vorgängen ausgesetzt.
Dies kann Verschleiß und eine Verkürzung der Dichtungslebensdauer bewirken. Darüber hinaus müssen die für die Dichtungen verwendeten Materialien mit den vielfältigen verwendeten Schmiermitteln kompatibel sein.

Komplexe Anforderungen und kurze Entwicklungszeiten

Um diesen Herausforderungen begegnen zu können, sind die OEMs auf zuverlässige und kompetente Lieferanten angewiesen, die innovative Produkte entwickeln und so mithelfen, die Elek-tromobilität in wenigen Jahren als massentaugliche Technologie zu etablieren. Gefragt sind dabei Partner, die schnell auf wechselnde Bedürfnisse reagieren können – von der Produktentwicklung über den Prototypenbau bis zur Serienfertigung.
Die Anforderungen der E-Mobility sind äußerst komplex. Der Markt ist sehr schnelllebig und entwickelt sich mit hoher Geschwindigkeit. Für die Hersteller (OEMs) und ihre Zulieferer ergeben sich daraus erhebliche Herausforderungen bei der Entwicklung. Oft verfügen die Kunden weder über klar definierte Standards noch über etablierte Lösungen. Dementsprechend sind die geforderte Innovationsrate und zugleich der Druck, die richtigen Produkte schnell auf den Markt zu bringen, sehr hoch.

Prof. Dr. Konrad Saur, Vice President Innovation & Technologie, (l.) nutzt mit seinem Team moderne Design-Werkzeuge, um Dichtungslösungen zu entwickeln, die den hohen Ansprüchen der Elektromobilität gerecht werden.

Prof. Dr. Konrad Saur, Vice President Innovation & Technologie, (l.) nutzt mit seinem Team moderne Design-Werkzeuge, um Dichtungslösungen zu entwickeln, die den hohen Ansprüchen der Elektromobilität gerecht werden.

Entwicklungsgeschwindigkeit der Komponenten bestimmt den Wandel

Bei der Entwicklung von Hochleistungsdichtungen für die Elektromobilität kombiniert Trelleborg eine effiziente F&E-Organisation mit modernen digitalen Verfahren, um die Zeit bis zur Bereitstellung erster funktionaler Prototypen möglichst kurz zu halten. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) und andere in der Konstruktion eingesetzte Simulations-Programme ermöglichen es, in der virtuellen Welt zu entwickeln, Probleme gegebenenfalls frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden. Auf diese Weise können die engen Zeitpläne der Kunden eingehalten werden.
Was sich dabei in der Arbeit für andere Branchen bewährt hat, kann oft auf die Elektromobilität übertragen werden. So nutzt das Unternehmen seine bestehenden, teils sehr aufwendigen Prüfsysteme und Einrichtungen, um auch hier schnell zu Lösungen zu kommen. Beispiele sind das Brandversuchslabor für die Luft- und Raumfahrt in Northborough (MA, USA) und die Rotationsprüfstände für Anwendungen in Stuttgart (DE), Ft. Wayne (IN, USA), Bridgwater (UK) und Turin (IT).

Hochleistungsdichtungen machen die Elektrifizierung effizienter

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Die Rotationsdichtungen wurden speziell für anspruchsvolle E-Mobility-Anwendungen entwickelt.

Die verschiedenen elektrisch angetriebenen Fahrzeugklassen benötigen sehr ähnliche Dichtungslösungen. Bei allen muss beispielsweise die Batterie vor Umwelteinflüssen und Vibrationen geschützt werden. Eine spezielle Herausforderung besteht darin, dass sich die chemische Zusammensetzung der Batterieflüssigkeit in einer geladenen Batterie von der in einer entladenen unterscheidet.
Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die auf der E-Achse angeordneten Dichtungen im Allgemeinen höher als bei Verbrennungsmotoren. Das liegt vor allem an den erheblich höheren Betriebsdrehzahlen der Elektromotoren und den damit verbundenen wesentlich höheren Temperaturen im Bereich von Rotationsdichtungen. Solche Komponenten müssen zudem, je nach tribologischer Situation, ganz ohne Schmierung auskommen oder mit dem eventuell chemisch aggressiven Schmiermittel kompatibel sein.

Weniger Reibung führt zu größerer Reichweite

Die Rotationsdichtungen HiSpin HS40 und HiSpin PDR RT sind speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in der E-Achse ausgelegt. Sie sind so konstruiert, dass sie bei extrem hohen Drehzahlen effektiv arbeiten. Gleichzeitig sind die Reibwerte der beiden Dichtungen besonders niedrig, auch bei geringer Schmierung. Die Lösungen funktionieren in jedem Elektroantrieb, egal, ob Auto, E-Bike oder Helikopter.
Der HiSpin HS40 bietet durch das eingesetzte proprietäre XLT-Hochleistungs-Fluorelastomer (FKM) sehr gute Beständigkeit auch bei extremen Bedingungen, etwa bei hohen Motordrehzahlen und unter Einwirkung aggressiver synthetischer Getriebeöle. Die Dichtung funktioniert bei hohen Geschwindigkeiten bis zu 40 m/s und dichtet in beide Richtungen ab. Die besonders kompakten Maße ermöglichen den Einbau auch bei nur geringem Raum. Die Dichtung kann in Temperaturbereichen zwischen ­-45 °C und 200 °C eingesetzt werden. Dabei sorgt der niedrige Reibwert der Dichtung für eine geringe Wärmeentwicklung.
Der HiSpin PDR RT übertrifft diese Leistungsfähigkeit sogar noch. Er hält auch bei Rotationsgeschwindigkeiten von bis zu 60 m/s noch dicht. Sein Dichtelement aus Turcon reduziert die Reibung gegenüber herkömmlichen PTFE-Dichtungen um bis zu 75 %. Zudem ist die Temperaturtoleranz der PDR RT mit -60 °C bis 200 °C größer.

Leitend oder ableitend

Auch auf der Werkstoffseite haben die Dichtungsexperten die passenden Produkte im Programm. Turcon MC1 und Turcon MC2 sind die ersten elektrisch leitfähigen Compounds auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) unter anderem zur Verwendung in feder- und elastomervorgespannten Dichtungen. Sie ermöglichen es, Eigenschaften wie Isolierung und elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen. Diese Materialien erfüllen optimal die Anforderungen an Werkstoffe zur Herstellung von Dichtungen für den E-Motor. Sie widerstehen sowohl den hohen Temperaturen, die typischerweise im E-Motor auftreten, als auch den aggressiven Flüssigkeiten in der Batterie.

Die Batterie sicher abdichten

Für die Batterie entwickelt und fertigt Trelleborg auch anwendungsspezifische Dichtungslösungen für die Abdeckung. Da die Batterie an die Form des Fahrzeugs angepasst wird, müssen auch das Batteriegehäuse und seine Dichtung maßgeschneidert werden und zusätzliche funktionale Anforderungen erfüllen. Sie schützen die Batterie nicht nur vor Spritzwasser und Feuchtigkeit, sie bieten auch Schutz vor unter Druck stehendem Wasser, eine Voraussetzung für alle Batteriehersteller, um die Schutzklasse IP67 zu erreichen.

Die Zukunft gestalten

Bezogen auf das komplexe gesamte System eines Elektrofahrzeugs scheinen die beschriebenen Komponenten eher unbedeutend. In Wahrheit sind sie jedoch entscheidend für die Weiterentwicklung von elektrisch angetriebenen Mobilitätslösungen. Das Unternehmen hat in enger Zusammenarbeit mit Anwendern bereits zukunftweisende Lösungen für die Elektro­mobilität entwickelt und wird dazu beitragen, dass elektrisch angetriebene Fahrzeuge zukünftig immer effizienter werden und so eine höhere Leistungsdichte und Reichweite erreichen.

Virtual Conference 2020 – Shaping (y)our future together

Digitalisierung, Elektrifizierung und Nachhaltigkeit erfordern richtungsweisende Zukunftstechnologien sowie ein gesamtheitliches Umdenken.

Digitalisierung, Elektrifizierung und Nachhaltigkeit erfordern richtungsweisende Zukunftstechnologien sowie ein gesamtheitliches Umdenken.

Die Virtual Conference ist keine theoretische Konferenz über die Zukunft, sondern ein interaktiver und inhaltsreicher Austausch zu ausgewählten hochaktuellen und zukünftigen Themen: Digitalisierung, Elektrifizierung und Nachhaltigkeit erfordern richtungsweisende Zukunftstechnologien sowie ein gesamtheitliches Umdenken. Virtuell und doch in einer Live Location mit Moderatorin Sarah Yvonne Elsser bietet die Online-Veranstaltung ein umfangreiches Programm mit drei hochkarä-tigen Keynote-Speakern sowie Podiumsdiskussionen, an der sich die Teilnehmer online, aktiv beteiligen können. Das Expertentreffen bietet ein Forum für verschieden-
ste Wirtschaftsbranchen und Profis aus den Bereichen der Digitalisierung, Elektrifizierung und Nachhaltigkeit. Die Veranstaltung wird live aus der Classic Car Lounge in Sindelfingen am Mittwoch, den 08. Juli 2020, übertragen. Registrierung erbeten unter www.tss-virtualconference.com

 

 

Über den Autor

Prof. Dr. Konrad Saur

Vice President
Innovation & Technology
Trelleborg Sealing Solutions