Ein tiefer Einblick in das MGU-K-System der Formel 1 und wie es Polymere nutzt.

Die MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) ist eine Schlüsselkomponente des Hybridantriebs, der in modernen Formel-1 -Autos verwendet wird. Als Teil des Energierückgewinnungssystems (ERS) fängt die MGU-K kinetische Energie beim Bremsen ein, speichert sie in der Fahrzeugbatterie und setzt sie später ein, um dem Motor zusätzliche Leistung zu verleihen. Mit diesem System können F1-Autos Energie zurückgewinnen, die sonst verloren ginge, und diese zur Verbesserung von Leistung und Effizienz nutzen, was im Einklang mit dem Streben der Formel 1 nach Nachhaltigkeit und Energieeffizienz steht. Polymere spielen eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion und Funktionalität des MGU-K-Systems, insbesondere in Bereichen wie elektrische Isolierung, Wärmemanagement und strukturelle Integrität. Lassen Sie uns einen genauen Blick darauf werfen, wie das MGU-K-System funktioniert und wo Polymere eingesetzt werden.

Übersicht über das MGU-K-System

Die MGU-K fungiert sowohl als Generator als auch als Motor . Wenn das Auto verzögert, fungiert die MGU-K als Generator und wandelt die kinetische Energie des Autos in elektrische Energie um. Diese Energie wird im Energiespeicher (ES) , einem Hochleistungs-Akkupack, gespeichert. Beim Beschleunigen oder bei hoher Geschwindigkeit wechselt die MGU-K in den Motormodus und verwendet die gespeicherte Energie, um dem Motor zusätzliche Leistung zu liefern. Dies verbessert die Leistung und senkt den Kraftstoffverbrauch.

Die MGU-K ist mit der Kurbelwelle des Motors verbunden und kann beim Bremsen bis zu 120 kW (161 PS) Leistung erzeugen. Es handelt sich um eine Hochgeschwindigkeits- und Hochbelastungskomponente, die in extremen thermischen und mechanischen Umgebungen arbeitet. Daher ist die Verwendung moderner Materialien, darunter Polymere, für ihre Effizienz und Zuverlässigkeit unerlässlich.

Wie Polymere im MGU-K-System eingesetzt werden

1. Elektrische Isolierung

Da es sich bei der MGU-K um ein elektrisch betriebenes System handelt, ist sie in hohem Maße auf Hochleistungspolymere zur elektrischen Isolierung angewiesen. Das System umfasst einen Stator und einen Rotor , wobei die Bewegung des Rotors Elektrizität erzeugt. Um Kurzschlüsse zu verhindern und eine effiziente Energieübertragung zu gewährleisten, werden Isoliermaterialien wie PTFE (Polytetrafluorethylen) und Polyimid (PI) verwendet, um die elektrischen Wicklungen in den Motor- und Generatoreinheiten zu isolieren.

• PTFE wird aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften und seiner Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, zur Isolierung von Drähten und zur Beschichtung von Wicklungen im Motor und Generator verwendet. Es ist außerdem beständig gegen Chemikalien und Kraftstoffe, was in der rauen Umgebung eines Formel-1-Motorraums von entscheidender Bedeutung ist.
• Polyimidfolien wie Kapton werden auch als Isolierung um kritische elektrische Komponenten herum verwendet. Diese Folien halten extremen Temperaturen (bis zu 400 °C) stand und bieten eine ausgezeichnete dielektrische Festigkeit, sodass elektrische Ströme sicher durch das System fließen können, ohne Schäden zu verursachen.

2. Wärmemanagement

Eine der größten Herausforderungen im MGU-K-System ist das Wärmemanagement . Der ständige Wechsel zwischen Motor- und Generatorbetrieb sowie der hohe Energiedurchsatz erzeugen erhebliche Wärme. Um sicherzustellen, dass die MGU-K unter diesen Bedingungen effizient und zuverlässig arbeitet, werden in verschiedenen Teilen des Systems Polymere mit hervorragender Hitzebeständigkeit verwendet.

• PEEK (Polyetheretherketon) wird häufig für Komponenten verwendet, die hohen Temperaturen und mechanischer Belastung standhalten müssen, wie Gehäuse, Anschlüsse und interne Stützen innerhalb der MGU-K. Die thermische Stabilität von PEEK stellt sicher, dass es der bei der Energierückgewinnung und -abgabe erzeugten Hitze standhält, ohne sich zu verformen oder an Festigkeit zu verlieren. Darüber hinaus ist PEEK aufgrund seiner hervorragenden Verschleiß- und Chemikalienbeständigkeit ideal für diese hochbelasteten Umgebungen geeignet.

• Zur Steuerung der Wärmeableitung werden in und um die MGU-K auch Wärmedämmschichten aus Polymerschäumen oder Polymeren auf Silikonbasis verwendet. Diese Materialien schützen empfindliche elektronische Komponenten und verhindern, dass Wärme auf andere kritische Systeme im Auto abgestrahlt wird, wie etwa auf den Akku und die Leistungselektronik .

3. Gewichtsreduktion

Die Leistung eines F1-Autos hängt stark vom Gewicht ab, und jedes Gramm zählt. Polymere werden häufig aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses ausgewählt, sodass Ingenieure das Gewicht des MGU-K-Systems reduzieren können, ohne die Haltbarkeit oder Leistung zu beeinträchtigen. Leichte Polymere wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden in den Strukturkomponenten der MGU-K wie Gehäusen und Montagehalterungen verwendet.

• CFK-Komponenten bieten die nötige Festigkeit und Steifigkeit, um die internen Mechanismen der MGU-K zu schützen und gleichzeitig das Gesamtgewicht des Systems niedrig zu halten. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Gewichtsreduzierung der MGU-K nicht nur die Beschleunigung und das Kurvenverhalten des Fahrzeugs verbessert, sondern auch eine bessere Energieeffizienz ermöglicht.

4. Haltbarkeit und Vibrationsfestigkeit

Das MGU-K-System ist erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt, darunter Vibrationen, hohe Drehzahlen und die beim Bremsen und Beschleunigen entstehenden Kräfte. Elastomere Polymere wie Silikon und Fluorelastomere werden in Komponenten wie Dichtungen verwendet, um Vibrationen zu absorbieren und die strukturelle Integrität der MGU-K aufrechtzuerhalten.

• Silikondichtungen werden in der MGU-K verwendet, um Flexibilität zu bieten und sicherzustellen, dass kritische Komponenten vor dem Eindringen von Schmutz, Staub und Flüssigkeit geschützt bleiben. Diese Dichtungen müssen hohen Temperaturen und Drücken standhalten und gleichzeitig ihre Elastizität über die Zeit beibehalten.
• Außerdem sind vibrationsdämpfende Materialien aus Elastomerpolymeren in das MGU-K-System integriert, um empfindliche Komponenten vor den starken Vibrationen zu schützen, die während des Rennsports auftreten. Dies verhindert vorzeitigen Verschleiß der Innenteile und verlängert die Lebensdauer der Einheit.

5. Kühlsysteme und Flüssigkeiten

Eine effiziente Kühlung ist für den Betrieb des MGU-K-Systems unerlässlich, da eine Überhitzung zu Leistungsverlusten und möglichen Ausfällen der Komponente führen kann. Kühlmittelschläuche und Flüssigkeitsleitungen auf Polymerbasis werden zum Transport des Kühlmittels zur und von der MGU-K verwendet. Diese Schläuche werden häufig aus Materialien wie PTFE oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk) hergestellt, die Flexibilität, Hitzebeständigkeit und chemische Beständigkeit bieten.

• PTFE-Kühlmittelleitungen werden bevorzugt, da sie hohen Temperaturen standhalten und den Chemikalien in modernen Kühlflüssigkeiten widerstehen. Diese Schläuche sind unerlässlich, um die optimale Betriebstemperatur der MGU-K aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass sie während des gesamten Rennens effizient funktioniert.

Vorteile der Verwendung von Polymeren im MGU-K-System

• Hohe Leistung unter extremen Bedingungen : Durch die Verwendung hochentwickelter Polymere kann das MGU-K-System trotz der extremen Hitze-, Druck- und elektrischen Belastungen des Formel-1-Rennsports effizient arbeiten. Materialien wie PEEK und PTFE bieten die notwendige thermische und chemische Beständigkeit, um der anspruchsvollen Umgebung des Motorraums standzuhalten.

• Gewichtsreduzierung : Indem sie herkömmliche Materialien durch leichte Polymere wie CFK und PEEK ersetzen, können Ingenieure das Gesamtgewicht des MGU-K-Systems reduzieren und so die Leistung des Fahrzeugs verbessern, ohne die Haltbarkeit zu beeinträchtigen.

• Verbesserte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit : Polymere wie Fluorelastomere und Silikon schützen das System vor Verschleiß, Vibrationen und Umweltschadstoffen und stellen sicher, dass die MGU-K während des gesamten Rennens zuverlässig funktioniert.

• Elektrische Effizienz : Hochleistungs-Isoliermaterialien wie Polyimidfolien und PTFE gewährleisten einen reibungslosen und sicheren Stromfluss. Dadurch wird das Risiko eines Stromausfalls verringert und die Energierückgewinnung und -bereitstellung maximiert.

Abschluss

Das MGU-K-System in Formel-1-Autos ist eine entscheidende Komponente des Hybridantriebs des Autos, da es Energie aufnimmt und bereitstellt, um Leistung und Effizienz zu verbessern. Polymere spielen bei der Konstruktion und Funktionalität dieses Systems eine entscheidende Rolle, da sie zur elektrischen Isolierung, zum Wärmemanagement, zur Gewichtsreduzierung und zur Haltbarkeit beitragen. Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Materialien wie PEEK , PTFE und CFRP können F1-Teams die Leistung der MGU-K optimieren und sicherstellen, dass sie unter den harten Bedingungen des Formel-1-Rennsports zuverlässig funktioniert. Während sich die F1-Technologie ständig weiterentwickelt, bleibt der Einsatz fortschrittlicher Polymere in Energierückgewinnungssystemen ein Schlüsselfaktor, um die Grenzen von Leistung und Effizienz zu verschieben.