MATERIALOPTIMIERUNG

Reduktion tribologisch bedingter Übertragungsverluste

Entwicklung von reiboptimierten Kabelzügen

Im Rahmen eines von der Innosuisse mitfinanzierten Projektes der Hochschule für Technik Rapperswil zusammen mit der Fortatech AG konnten durch die systematische Optimierung der im Reibsystem «Kabelzug» vorhandenen Materialpaarung zwischen der statischen Kabelhülle und der kraftübertragenden Litze die Projektziele hoher Wirkungsgrad und lange Lebensdauer erreicht werden.

Prof. Daniel Schwendemann¹, Marc Akermann¹, Thomas Englert²

Durch die Entwicklung zweier neuartiger Materialpaarungen konnten die beiden massgebenden Parameter Wirkungsgrad und Lebensdauer für die Effizienz eines Kabelzuges um den Faktor 3 beziehungsweise den Faktor 10 verbessert werden. Gleichzeitig konnte der Energieaufwand/-verbrauch bei der Betätigung des Aktors direkt proportional reduziert werden, was zu einem deutlich nachhaltigeren Umgang mit der elektrischen Energie zur Erzeugung von mechanisch übertragener Energie führt.

Ausgangslage zu Projektbeginn

Das Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt auf Kabelzügen (Bowdenzüge, Bild 1), die auf dem Markt entweder als Zugkabel oder als Druck-/Zugkabel erhältlich sind und überall dort Anwendung finden, wo Komponenten mechanisch bewegt oder verstellt werden müssen, wie zum Beispiel beim Öffnen und Schliessen eines Cabrioverdeckes oder bei Motorschaltungen von Booten (Bild 2). Der steigende Wettbewerb auf dem Markt dieser Kraftübertragungssysteme erfordert eine zunehmende Differenzierung von der Konkurrenz durch Innovationen im Bereich der Performance. Die Performance eines Kabelzuges wird dabei hauptsächlich durch die Lebensdauer und Leichtgängigkeit bei

¹ Prof. Daniel Schwendemann, stv. Institutsleiter, Marc Akermann, wissenschaftlicher Mitarbeiter, beide IWK, Rapperswil-Jona ² Thomas Englert, Geschäftsführer, Fortatech AG, Gübsenstrasse 80, CH-9015 St. Gallen

Bild 1: Aufbau Bowdenzüge (links) und Druck-/Zugkabel (rechts) (1 Kabellitzen; 2a Kabel-Ummantelung «glatt»; 2b Kabel-Ummantelung «profiliert»; 3a Kabelführung mit Spiel; 3b Kabelführung spielfrei; 4 Stahl-Armierung der Kabelführung; 5 Aussenschicht der Kabelführung)

Bild 2: Anwendungsbeispiel Druck-/Zugkabel zur Motorsteuerung bei Booten

der Kraftübertragung bewertet. Um auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu bleiben, soll es am Ende des Projektes möglich sein, eine möglichst verlustfreie Energieübertragung ohne extern zugeführte Schmierstoffe zu gewährleisten, da diese zusätzliche Kosten und Arbeitsschritte erforderlich machen.

Materialscreening für zukünftige Optimierungsschritte

Zu Beginn des Projektes wurden alternative Rohmaterialien für die bisher auf dem Markt für Kabelzüge verwendeten Standard-Materialien evaluiert, was eine umfassende Materialrecherche und systematische Eigenschaftsanalyse der bereits vertriebenen Kabelzugsysteme als Bewertungsbasis für die weiteren Arbeitspakete notwendig machte. Die dadurch evaluierten Kunststoffe wurden anschliessend einem ersten qualitativen Vergleich hinsichtlich ihres Reibverhaltens bei der Kraftübertragung unterzogen. Dafür wurde ein Prüfaufbau entwickelt, welcher es möglich machte, mit vereinfachten Prüfkörpergeometrien zügig quaqualitative Vergleichsresultate zu erhalten, ohne dass jedes Mal neue Litzen ummantelt werden mussten. Dadurch war es vor allem in dieser wichtigen ersten Projektphase möglich, innerhalb kurzer Zeit die geeigneten Materialien zu evaluieren.

Bessere tribologische Eigenschaften bei Bowdenzügen

Diese ersten Erkenntnisse dienten als Grundlage für die Planung und Durchführung einzelner Optimierungsschritte zur gezielten Verbesserung der Reibeigenschaften von Bowdenzügen. Zwischen den einzelnen Optimierungsloops wurden jeweils Litzen mit den neuen Compounds ummantelt und auf einem Reibprüfstand getestet, welcher eine realitätsnahe Verlegung eines Kabelzuges abbildete. Damit war es möglich, die Hauptbewertungskriterien Wirkungsgrad und Lebensdauer von Bowdenzügen fortlaufend zu über prüfen und empirisch fundiert zu optimieren.

Bild 3: Performancevergleich Opaltech-Kabelzüge vs. Standardkabelzüge

Spielfreie Führung bei Druck-/Zugkabeln

Parallel zu diesen Materialoptimierungsloops bei den Bowdenzügen entstanden im Rahmen des Projektes verschiedene Profilierungskonzepte von Druck-Zug-Kabelzügen, welche anschliessend umgesetzt und getestet wurden. In Kombination mit den im Bereich der Bowdenzüge gewonnenen Erkenntnisse bezüglich Materialoptimierung konnte auch hier die Zielerreichung von hohem Wirkungsgrad bei langer Lebensdauer sichergestellt werden.

Hochgesteckte Zielsetzungen erfolgreich erfüllt

Dank der empirischen Optimierung der im tribologischen System «Kabelzug» vorhandenen Materialpaarung konnten die Hauptprojektziele hoher Wirkungsgrad (Verbesserung bis Faktor 3) und hohe Lebensdauer (Verbesserung bis Faktor 10) erfüllt werden. Durch die innovative Kombination des Innenrohrs in der Kabelhülle und dem mit den neu entwickelten Materialien ummantelten Kabel ergibt sich eine ausgezeichnete Performance. Diese geht weit über die eines Standard Bowdenzuges beziehungsweise über die eines Standard Druck-/Zugkabels hinaus, wie Bild 3 zeigt. Als Projektergebnis sind die folgenden Varianten unter dem Markennamen Opaltech am Markt eingeführt: –Hochpreisvariante für Spezialkabelzüge bei erhöhten Temperaturanforderungen –Neuer Standard für jegliche Druck-Zug

Kabelzüge –Reiboptimierte Materialvariante für

Bowdenkabelzüge (je nach Kundenanforderung).

Kontakt IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung Eichwiesstrasse 18b CH-8945 Rapperswil-Jona +41 55 222 47 70 daniel.schwendemann@hsr.ch www.iwk.hsr.ch

Unser Ziel? Realisierung Ihrer Projekte! Von der Planung bis zur Inbetriebnahme.