Die grüne Transformation von Kfz-Motorlagern

Das Dröhnen eines Automotors gilt als Symbol der industriellen Zivilisation, doch die damit einhergehenden Vibrationen und der Lärm bleiben ständige Herausforderungen. Motorgummilager – diese scheinbar unbedeutenden Komponenten – übernehmen leise die entscheidende Aufgabe, Vibrationen zu isolieren und Geräusche zu reduzieren. Herkömmliche Gummilager basieren jedoch häufig auf synthetischem Kautschuk auf nicht erneuerbarer Erdölbasis, was im Widerspruch zu immer strengeren Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitsprinzipien steht. Die Automobilindustrie steht nun vor der entscheidenden Herausforderung, leistungsstarke und umweltfreundliche Materialien für Motorlager zu entwickeln.

Motorlager für Kraftfahrzeuge, auch Motorbuchsen genannt, dienen als wichtige Komponenten, die den Motor mit dem Fahrzeugrahmen verbinden. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Motorvibrationen zu absorbieren und zu dämpfen, Geräusche zu reduzieren, den Fahrkomfort zu erhöhen und Motorkomponenten vor Vibrationsschäden zu schützen. Herkömmliche Halterungen verwenden typischerweise Spritzgussverfahren mit Gummi- oder Elastomer-Verbundwerkstoffen als Kernmaterialien.

Aufgrund seiner hervorragenden Elastizität, Verschleißfestigkeit und Dämpfungseigenschaften wird Naturkautschuk häufig bei der Herstellung von Lagern verwendet. Da jedoch das Umweltbewusstsein zunimmt und Nachhaltigkeit an erster Stelle steht, weisen herkömmliche Gummilager erhebliche Nachteile auf. Die Versorgung mit Naturkautschuk unterliegt geografischen und klimatischen Einschränkungen sowie volatilen Preisen, während bestimmte synthetische Kautschuke (wie Polyurethan) schädliche Produktionsprozesse erfordern und Probleme beim Recycling mit sich bringen.

Um eine nachhaltige Transformation zu erreichen, haben Forscher ein neuartiges Verbundmaterial entwickelt, das Naturkautschuk (NR), thermoplastisches Polyurethan (TPU) und Sisalfasern kombiniert. Diese Kombination bietet deutliche Vorteile:

• Naturkautschuk (NR):Ein nachwachsender Rohstoff mit außergewöhnlichen Elastizitäts- und Vibrationsabsorptionseigenschaften und relativ umweltfreundlichen Produktionsprozessen.
• Thermoplastisches Polyurethan (TPU):Bietet im Vergleich zu herkömmlichen Synthesekautschuken überlegene mechanische Eigenschaften und Recyclingfähigkeit und verbessert gleichzeitig die Ölbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Alterungsbeständigkeit von NR.
• Sisalfaser:Eine natürliche Pflanzenfaser mit hoher Festigkeit, geringer Dichte und biologischer Abbaubarkeit. Als Verstärkungsfüllstoff verbessert es die Steifigkeit und verringert gleichzeitig die Abhängigkeit von erdölbasierten Materialien.

Die Forschung nutzte einen integrierten Designansatz, der TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving), morphologische Analyse und den Analytic Network Process (ANP) kombinierte, um optimale Halterungsdesigns zu entwickeln.

Die Methodik umfasste drei zentrale TRIZ-Prinzipien:

• Parameteränderungen:Optimierung geometrischer und materieller Parameter zur Schwingungskontrolle
• Phasenübergänge:Erforschung intelligenter Materialien zur adaptiven Schwingungsdämpfung
• Verbundwerkstoffe:Kombination von Materialvorteilen für überlegene Leistung

Dieser systematische Ansatz führte zu zahlreichen Konzeptentwürfen durch die Analyse von Strukturkonfigurationen, Materialkombinationen und Verbindungsmethoden.

Der Analytic Network Process bewertete vier Finalistenentwürfe anhand mehrerer Kriterien, darunter Vibrationsdämpfung, mechanische Leistung, Umweltauswirkungen, Kosten und Herstellbarkeit.

Die Forschung ergab vier unterschiedliche Designkonzepte:

• Entwurf 1:Konventionelle zylindrische Struktur mit optimierten internen Dämpfungseigenschaften
• Entwurf 2:Innovative konische Struktur ermöglicht eine frequenzadaptive Vibrationskontrolle
• Entwurf 3:Mehrschichtiger Verbundaufbau mit abgestuften Materialeigenschaften (ausgewählt als optimale Lösung)
• Entwurf 4:Intelligentes Materialdesign mit magnetorheologischer Flüssigkeit für einstellbare Dämpfung

Das ausgewählte Design 3 zeigte eine außergewöhnliche Schwingungsdämpfung, mechanische Eigenschaften, Vorteile für die Umwelt und eine günstige Herstellungsökonomie.

Diese Forschung schafft eine Grundlage für eine nachhaltige Entwicklung von Motorlagern. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf Folgendes konzentrieren:

• Weitere Materialoptimierung für verbesserte Leistung
• Strukturverfeinerung mittels Computeranalyse
• Umfassende Fahrzeugtests zur Leistungsvalidierung

Während sich die Automobilindustrie in Richtung Nachhaltigkeit weiterentwickelt, werden solche Innovationen in der Vibrationskontrolltechnologie eine immer wichtigere Rolle bei der Entwicklung umweltfreundlicher Transportlösungen spielen.