FEM-Simulation einer KFZ-Türdichtung

Darstellung der Materialbereiche und Hauptdehnungen einer KFZ-Türdichtung

Aachen, 25.09.2018

In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die FE-Simulation einer elastomeren KFZ-Türdichtung ein.

Elastomere werden in verschiedensten Bereichen eingesetzt. Man findet sie beispielsweise wieder in KFZ-Reifen, Antriebsriemen, Schwingungsdämpfern, Dichtungen (Profildichtungen, O-Ringe, Membrandichtungen, Balgdichtungen und andere Geometrien zur Abdichtung). Geschäumte Elastomere werden als Vibrationsdämpfer und zur Wärme- und Schalldämmung verwendet.

Ein Elastomer besteht im Wesentlichen aus Naturkautschuk. Naturkautschuk weist in seinem amorphen Zustand eine hohe Zähigkeit auf und ist dabei selbstverklebend. Daher ist Naturkautschuk zumeist nicht einsetzbar in technischen Anwendungen.

Daher wurde ein Verfahrensprozeß gesucht, der aus dem nicht verwendbaren Naturkautschuk einen technischen Werkstoff hervorbringt. Charles Goodyear erfand im Jahre 1839 durch einen glücklichen Zufall den Prozess der Vulkanisation bei dem eine Schwefel-Kautschuk-Mischung auf eine heiße Herdplatte fiel und dabei ein unter mechanischer Last elastisch verformbares Material entstehen ließ.

Die langkettigen Makromoleküle des Naturkautschuk werden durch Hinzugabe von Schwefel unter Einsatz von Druck und Wärmeenergie untereinander durch Elektronenpaarbildungen vernetzt. Es entsteht ein elastisch hochdehnbares Material.

Heutzutage existiert eine große Variationsbreite an Kautschukmischungen bei Elastomeren (bestehend aus Füllstoffen, Weichmachern und Chemikalien) für die unterschiedlichsten Anwendungen. Zudem hat der Mischvorgang und die Fertigung beispielsweise durch Spritzgießen oder Extrusion eine signifikanten Einfluss auf das spätere mechanische und thermische Elastomerverhalten.

Gehen wir nunmehr auf das eigentliche Thema dieser Veröffentlichung ein, die FE-Simulation einer KFZ-Türdichtung. Die wesentliche Aufgabe der Türdichtung als Berührdichtung ist das Verhindern ungewollter Stoffübergänge (insbesondere Feuchtigkeit) in den Innenraum des KFZ. Die Dichtung besteht vorwiegend aus EPDM. EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk; M-Gruppe) besteht aus synthetischem Kautschuk, der bedingt durch die Knappheit an natürlichem Kautschuk zu Anfang des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. EPDM besitzt eine gute Alterungsbeständigkeit auch unter UV- und Ozonbelastung. EPDM weist zudem eine gute klimatische, thermische und chemische Beständigkeit auf. Zudem verfügt das Material über eine hohe Elastizität. EPDM ist daher der am meisten verwendete Werkstoff in der Automobilindustrie bei Dichtungsbauteilen.

Türdichtungen werden zumeist im Extrusionsverfahren hergestellt. Dabei stellt die Härte des Elastomers (SHORE A) den Werkstoffparameter dar, der das mechanische Verhalten des Produkts im Wesentlichen bestimmt.

Elastomere wie auch EPDM verhalten sich hyperelastisch. Die nichtlinearen Dehnungen bleiben bis zu mehreren hundert Prozent reversibel. Um das nichtlineare Materialverhalten zu erfassen sind entsprechende Materialmodelle erforderlich. Bei der hier vorgestellten FE-Simulation der Türdichtung wird das Mooney-Rivlin-Materialmodell verwendet. Bei den auftretenden Dehnungsgrößen der Türdichtungen ist die Beschreibungsgüte des Modells entsprechend gut.

Das dieser Pressemitteilung angehängte Bild zeigt auf der linken Seite die Materialverteilung in der Türdichtung. Die Lippenbereiche respektive Dichtungsbereiche zwischen Tür und Karosserie (lila eingefärbt) bestehen aus einem weicheren geschäumten Material mit der Shore A Härte 25. Die Bereiche um den Stahlträger der Dichtung (gelb eingefärbt) bestehen aus einem Material mit der Shore A Härte 55. Die Materialverteilungen wurden in Optimierungsschleifen mittels FEM-Simulation ermittelt. Ziel war dabei die Erzielung der benötigten Schließkraft respektive Dichtungsdruck in den Abdichtungsbereichen bei ertragbaren Materialbelastungen. In der rechten Seite sind die max. Hauptdehnungen bei größtmöglicher Verformung der Dichtung dargestellt. Die Hauptdehnungen betragen im oberen Lippenbereich mehr als 30%, was beim verwendeten EPDM unkritisch ist. Die ausgewertete Schließkraft der Dichtung liegt im vorgegebenen Sollbereich.