Die Materialauswahl für Elektrofahrzeuge geht über aufgekohlten Stahl hinaus

Aufgekohlter und vergüteter Stahl ist seit Jahrzehnten das Standardmaterial für Automobilgetriebe und ist auch heute noch die gängige Wahl für elektrische Antriebsstränge. Was sich geändert hat, ist, dass es nicht mehr allein die offensichtliche Antwort ist. Ein EV-Ausrüstung Das Programm wägt jetzt regelmäßig aufgekohlten Stahl gegen pulvermetallurgische Komponenten, Legierungsoptionen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und sogar technische Hochleistungskunststoffe ab, je nachdem, wo im Antriebsstrang das Zahnrad sitzt und welche Last es tatsächlich trägt.

Die Kontaktermüdungsfestigkeit hat die Grundlinie nach oben verschoben

Aufgekohlter und vergüteter Stahl ist nach wie vor die gängige Wahl für EV-Getriebeanwendungen, und Verbesserungen des Kohlenstoffgehalts und der Legierungszusammensetzung haben die Kontaktermüdungsfestigkeit dieses Materials in der aktuellen Produktion auf über 1.800 MPa erhöht. Dies ist wichtig, da Elektromotoren ein anderes Drehmoment liefern als ein Verbrennungsmotor und eine hohe Momentankraft über einen größeren Drehzahlbereich aufbringen, als ein typischer Benzinantrieb jemals bei einer EV-Getriebeanwendung erzeugt. Ein Zahnradmaterial, das für die Ermüdungsziele von gestern ausgelegt ist, hält dieser Art von Belastungsprofil nicht unbedingt stand, was einer der Gründe dafür ist, dass die Legierungsverfeinerung bei aufgekohltem Stahl fortgesetzt wurde, anstatt sich auf einem früheren Leistungsplateau einzupendeln.

Die Pulvermetallurgie schließt die Lücke mit geschmiedetem Stahl

Pulvermetallurgische Zahnräder, die durch endkonturnahe Verfahren hergestellt werden, die den Materialabfall im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung erheblich reduzieren, haben in aktuellen Formulierungen Dichten von über 7,4 g/cm³ erreicht. Dieses Dichteniveau bringt die Leistung näher an geschmiedeten Stahl als frühere Generationen der Pulvermetallurgie und macht ihn zu einer praktikableren Option für EV-Getriebeanwendungen, bei denen es neben der mechanischen Leistung auch auf die Materialeffizienz ankommt. Ein nach diesem Dichtestandard hergestelltes pulvermetallurgisches Zahnrad eignet sich für Komponenten, bei denen die endformnahe Formung sowohl die Materialkosten als auch die Bearbeitungszeit reduziert, ohne auf die Belastbarkeit zu verzichten, die eine Antriebsstrangkomponente benötigt.

Legierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt bietet eine klare Kostenposition

Vergüteter legierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt nimmt in der Materialpalette eine andere Position ein und eignet sich eher für Betriebsbedingungen bei mittlerer Belastung als für die Anwendungen mit höchster Beanspruchung, die aufgekohlter Stahl normalerweise bewältigen muss. Diese Option bringt einen deutlichen Kostenvorteil mit sich, was einer der Gründe dafür ist, dass sie in Antriebssträngen von Nutzfahrzeugen häufiger zum Einsatz kommt, wo sich die Lastprofile von Anwendungen in Pkw-Elektrofahrzeugen unterscheiden und die Kostensensibilität bei der Materialauswahl eine größere Rolle spielt. Bei der Wahl zwischen dieser Option und aufgekohltem Stahl für ein EV-Getriebe kommt es in der Regel darauf an, die Materialfähigkeit an den tatsächlichen Arbeitszyklus einer Komponente anzupassen, und nicht auf das Material mit der höchsten Spezifikation für jedes Zahnrad in einem Antriebsstrang.

Verfeinerungen der Wärmebehandlung verändern die Produktionszeitpläne

Die Niederdruck-Aufkohlungstechnologie hat in aktuellen Implementierungen die Aufkohlungszykluszeit um mehr als 30 Prozent verkürzt und gleichzeitig die internen Oxidationsdefekte reduziert, die bei älteren atmosphärischen Aufkohlungsprozessen häufiger auftreten konnten. Das Vakuum-Hochdruck-Gasabschrecken hat im Vergleich zu älteren Abschreckmethoden gleichermaßen sowohl die Verformungskontrolle als auch die Gleichmäßigkeit der Oberflächenhärte verbessert. Diese Verfeinerungen der Wärmebehandlung sind insbesondere für Komponenten aus aufgekohltem legiertem Stahl von Bedeutung, da in der Behandlungsphase ein bearbeiteter Rohling in ein Zahnrad umgewandelt wird, das den Ermüdungs- und Verschleißanforderungen elektrischer Antriebsstränge standhält.

Die Oberflächenmodifikation erhöht die Verschleißfestigkeit, ohne das Grundmaterial zu verändern

Durch Ionenimplantation und physikalische Gasphasenabscheidung können Hersteller die Verschleißfestigkeit und die Abriebfestigkeit von Hochgeschwindigkeitszahnrädern verbessern, ohne die Eigenschaften des darunter liegenden Grundmaterials zu verändern. Diese Art der Oberflächenbehandlung von Zahnrädern hat an Bedeutung gewonnen EV-Ausrüstung Motordrehzahlen steigen in Richtung 15.000 oder 20.000 U/min, da die Zahnoberflächen bei diesen Drehzahlen Verschleißmuster aufweisen, die sich von dem für Verbrennungsantriebsstränge typischen Betrieb bei niedrigeren Drehzahlen unterscheiden. Die Anwendung einer Oberflächenbehandlung anstelle der Umstellung der gesamten Komponente auf ein härteres, teureres Grundmaterial bietet eine Möglichkeit, diesem Verschleißbedarf entgegenzuwirken, ohne das Getriebe von Grund auf neu zu konstruieren.

Die Fertigungspräzision muss mit den Materialfortschritten Schritt halten

Materialverbesserungen führen nur dann zu einer Arbeitsleistung, wenn die Fertigungspräzision erhalten bleibt. Aus diesem Grund ist hochpräzises Zahnradschleifen nach wie vor die primäre Methode zum Erreichen der Toleranzen der ISO 1328 Klasse 5, die aktuelle EV-Untersetzungsgetriebe üblicherweise erfordern. Einige Hochleistungsanwendungen streben bereits die Stufe 4 an und erforschen Wege zur Präzision der Stufe 3. Dies spiegelt wider, wie eng Materialfähigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit zusammenpassen müssen, wenn die Geschwindigkeit des elektrischen Antriebsstrangs weiter steigt. Zhejiang Haoshun Machinery Technology Co., Ltd. entwickelt Getriebekomponenten für diesen Bereich an Material- und Präzisionsanforderungen und wendet dabei Wärmebehandlungs- und Bearbeitungsprozesse an, die an das spezifische Last- und Geschwindigkeitsprofil jeder Antriebsstranganwendung angepasst sind.