Intelligente Rotationsdichtungen für Elektroantriebe

HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 (Bild: Trelleborg Sealing Solutions)

04.02.2019 Intelligente Rotationsdichtungen für Elektroantriebe

Mit HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 bringt Trelleborg Sealing Solutions zwei Dichtungen speziell für Anwendungen in der Elektromobilität auf den Markt. Die Herausforderungen, die sich bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten ergeben, meistern die Varianten und ermöglichen es so, die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zu maximieren.

Der Elektromotor im Auto verändert – bedingt durch hohe Drehzahlen, sensible Elektronik und Automatikgetriebeöle – die Anforderungen an Rotationsdichtungen. Mit HiSpin PDR RT und HiSpin HS40 wurden 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 dabei 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. Benzinmotoren laufen normalerweise bei 2.000 bis 4.000 min-1. Elektroantriebe hingegen vier- bis achtmal schneller bei 15.000 bis 16.000 min-1. 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 m/s. Die theoretische optimale Umfangsgeschwindigkeit der E-Achse müßte einen Wert größer 60 m/s betragen, um deren Wirkungsgrad zu maximieren. Eine Geschwindigkeit, die derzeit nur mit sehr aufwändigen und teuren Konstruktionen erreicht werden kann. Ziel für die neuen E-Mobility-Dichtungen war es, die akzeptablen Relativgeschwindigkeiten an der Welle auf mindestens 40 m/s zu erhöhen. Mit der HiSpin HS40 wurde dieses Ziel erreicht. Die HiSpin PDR RT schafft 60 m/s.

Eine weitere Herausforderung ist das fehlende Schmiermittel im System. 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 – z.B., wenn etwa wasserbasierte, dielektrische Mittel oder solche mit geringerer Viskosität ins Spiel kommen.

Die Ergebnisse umfangreicher Testreihen waren positiv. Bei beiden Dichtungen gab es trotz der anspruchsvollen Dichtungsbedingungen keine Leckage. Die HiSpin-Variante PDR RT wies 75% weniger Reibung im Vergleich zur Standard-PDR-Dichtung auf und war mit 60 m/s 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 hohen Geschwindigkeiten hält die Dichtung so auch starken Temperaturschwankungen stand. Sie ist druck- und chemikalienresistent, dank ihrer geringen Reibungswerte ist Trockenlauf möglich. Über einen 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.

Lösungspartner

Trelleborg Sealing Solution GmbH