Peek înlocuiește metalul și este folosit pentru prima dată în Mercedes-Benz Gearbox Gears

Peek înlocuiește metalul și este folosit pentru prima dată în Mercedes-Benz Gearbox Gears

Materialele plastice de înaltă performanță, cum ar fi poliethereterketone (PEEK), oferă multe oportunități utile pentru îmbunătățirea angrenajului. Angrenajele PEEK sunt utilizate pentru prima dată în cutii de viteze Mercedes-Benz.

Angrenajele de echilibru în masă din Vestakeep 5000 G sunt primele angrenaje din plastic utilizate în transmisiile Mercedes-Benz. Înlocuiește echipamentul metalic folosit anterior

Angrenajele din plastic înlocuiesc treptat angrenajele metalice tradiționale în numeroase aplicații tehnice, deoarece sunt mai ușoare, mai liniștite, au proprietăți bune de alergare la uscat, au frecare și uzură scăzută și pot fi fabricate eficient. Produsele fabricate din materiale plastice de înaltă performanță, cum ar fi polietheretona (PEEK), sunt, în general, mai stabile mecanic, termic și chimic decât angrenajele realizate din materiale plastice de inginerie și permit astfel valorile limită de încărcare extinsă. O condiție prealabilă importantă pentru aceasta este evaluarea conformității și proiectarea componente adecvată pentru tipul de plastic.

În 2018, a fost fondat un centru de competență pentru tribologie în Darmstadt, Germania, pentru dezvoltarea de materiale plastice de înaltă performanță pentru producerea de componente supuse stresului de frecare, cum ar fi: PEEK, poliamidă 12 (PA12) și polimidă (PI). În plus față de metodele convenționale, cum ar fi testele pin-on-disc și ball-on disk (prin mini tractoare), au instalat un nou tip de platformă de testare (Fig. 1).

Figura 1: Centrul de competență Tribologie din Darmstadt, Germania, a instalat o platformă de testare a vitezei pentru testarea angrenajelor din plastic: permite proiectarea angrenajului prin determinarea valorilor caracteristice specifice componentelor

Bănc de testare pentru evaluarea angrenajelor din plastic

Comportamentul de frecare și uzură a angrenajelor este complex și depinde de tensiunile locale specifice în contact cu pinionul de oțel și condițiile de mediu în timpul funcționării. Până în prezent, nici testele model, cum ar fi testele pin-on-disc, nici combinațiile tradiționale de teste mecanice statice și dinamice pe epruvete standard nu au reușit să evalueze în mod adecvat comportamentul angrenajelor din plastic în funcțiune datorită condițiilor speciale de plasare ale angrenajelor. În schimb, valorile caracteristice specifice componentelor pentru proiectare pot fi determinate pe angrenajele din plastic în testele componente pe noua platformă de testare a vitezei. Fricarea dinamică și încărcările alternative mecanice sunt aplicate prin pinionul condus de metal pe dinții angrenajului de plastic în condiții de încărcare a cuplului definit, viteză și temperatură. Angrenajele din plastic lubrifiate cu ulei sau grăsime etc. pot fi comparate cu angrenajele din plastic cu funcționare uscată.



Testul este efectuat conform standardului german VDI 2736-4 („Angrenajele termoplastice: determinarea caracteristicilor capacității de încărcare a vitezei”) pentru a determina capacitatea de încărcare a dinților și coeficientul de uzură a diferitelor seturi de sarcină. Aceste rezultate sunt utilizate ca date brute în programele profesionale de simulare a proiectării vitezei pentru a ajuta clienții să optimizeze proiectele. Testarea continuă de obicei până când angrenajul eșuează din cauza uzurii flancului sau a fracturii de rădăcină a dinților. Temperatura rădăcinii dinților afectează variația de sarcină pe care o poate rezista, astfel încât poate fi măsurată și controlată cu senzori infraroșii (IR) pe standurile de testare existente.

Proprietăți mecanice convingătoare și rezistență chimică a Peek

Atunci când dezvoltați polimeri de înaltă performanță pentru angrenaje, diferitele cerințe mecanice, termice și tribologice ar trebui armonizate pe cât posibil în funcție de tensiunile implicate. Anumite modificări ale materialului pot afecta negativ performanța angrenajului. De exemplu, aditivii care sunt uneori folosiți pentru a îmbunătăți proprietățile anti-uzură sau pentru a reduce frecarea pot afecta negativ comportamentul mecanic dinamic al unui angrenaj (în funcție de caracteristicile particulelor și de adeziunea acesteia la matricea din plastic) dacă devin sursa de defecte sau fisuri posibilitatea posibilității )

În comparație cu materialele plastice de inginerie, cum ar fi polioximetilena (POM), PA6 și PA66, Peek de înaltă performanță din plastic are multe avantaje atunci când este utilizat ca material de viteze. În special, poate transfera, de asemenea, sarcini ridicate la temperaturi ridicate. Datorită absorbției sale neglijabile de apă și a contracției scăzute și a post-shrinkage, părțile modelate sunt stabile dimensional și bazate pe structura moleculară a materialelor termoplastice, este, de asemenea, extrem de rezistentă din punct de vedere chimic. Aceste proprietăți sunt deosebit de importante atunci când angrenajele sunt lubrifiate cu ulei de motor sau lichid de transmisie, ceea ce este un mediu coroziv pentru multe materiale plastice.

Depozitarea în ulei rămâne neschimbată

Luând ca exemplu rata de alungire după depozitarea completă a contactului în uleiul de viteze (figura 2), putem vedea că Peek (Brand: Evonik Vestakeep 4000 G) este mai bun decât Polyphthalamide (PPA, marcă: vestamid HTPLUS, câștigați modelul mai durabil) este o poliamidă parțial aromatică cu stabilitate la temperatură ridicată. Alungirea la randamentul PEEK nu s -a schimbat, dar alungirea la pauza PPA a scăzut semnificativ după depozitare timp de 500 de ore. Caracteristicile fragile ale PEEK sunt reflectate în alungirea la randament, în timp ce PPA se reflectă în alungirea la pauză din cauza lipsei de alungire la randament. Testele suplimentare de rezistență la impact demonstrează în continuare comportamentul său mecanic de îmbrățișare.

Figura 2: Alungirea randamentului peek și alungirea pPA după depozitarea completă a contactului în uleiul de viteze la 150 ° C: Alungirea PPA scade substanțial într -un timp scurt, în timp ce alungirea ratei PEEK rămâne aceeași.

În comparație cu alte materiale plastice de inginerie, stabilitatea mecanică și termică extrem de ridicată a PEEK a făcut ca să -l asigure în aplicațiile de viteze. Acest lucru este ilustrat prin testarea angrenajelor din greutate moleculară ridicată pe Peek ductile în condiții uscate și lubrifiate cu ulei la 80 ° C și, respectiv, 130 ° C, folosind platforma de testare descrisă (Fig. 3). Angrenajul de plastic este condus la 650 rpm de un pinion cu o duritate specifică de suprafață și rugozitate. Rezultatul este că Peek lubrifiat cu ulei poate transmite sarcini extrem de mari pe o durată de viață extrem de lungă. În condiții de rulare uscată, angrenajele nu reușesc, de obicei, din cauza uzurii flancului, în timp ce în condiții de lubrifiere în ulei, angrenajele nu reușesc de obicei din cauza fracturii de rădăcină indusă de oboseală.

Figura 3: Testarea mecanică a angrenajelor din Vestakeep 5000 G: Angrenajele PEEK-lubrifiate cu ulei pot transmite sarcini mai mari pe mai multe cicluri

Reduceți fricțiunea cu Peek

Avantajele suplimentare ale PEEK includ proprietăți tribologice și de uzură excelente, în special uzură scăzută și coeficient de frecare. Acesta din urmă asigură economii de energie, indiferent dacă sunt uscate sau lubrifiate. Acest lucru a fost confirmat într -un alt experiment (Fig. 4). Coeficienți de frecare a combinațiilor din oțel din oțel și oțel peek în teste cu bilă pe disc în ulei de motor la 23 ° C și 130 ° C, trecând o bilă de oțel cu o rază de 9,5 mm și un disc de oțel și un disc de cerc peek a fost studiat. În timpul experimentului, bila de oțel a fost încărcată cu 30N și a funcționat cu un raport de glisare de 25%, care poate fi utilizat pentru a testa mișcarea de glisare a două combinații de materiale.

Fig. 4: Coeficienții de frecare a combinațiilor din oțel din oțel și oțel peek în uleiuri de motor: Coeficienții sunt semnificativ mai mici cu utilizarea vestației de plastic de înaltă performanță 5000 g

Așa-numita curbă a strebeck arată că utilizarea combinațiilor din oțel PEEK în sistemele lubrifiate cu ulei permite soluții extrem de eficiente din punct de vedere energetic. Coeficientul de frecare a combinației din oțel din oțel este crescut la 4-7 ori inițial. Acest lucru poate fi explicat prin comportamentul viscoelastic al PEEK și prin presiunea hertziană inferioară rezultată între suprafețele de contact.

Comportamentul viscoelastic și un bun efect de amortizare al PEEK sunt, de asemenea, motive pentru caracteristicile sale plăcute de zgomot. Odată cu eliminarea zgomotului motorului de ardere internă, transmisiile silențioase devin din ce în ce mai importante, în special pentru vehiculele electrice. În unitățile de angrenaj elicoidal lubrifiat cu grăsime, combinația din oțel peek reduce semnificativ zgomotul aerian, în unele cazuri cu mai mult de 10dB (Fig. 5). Măsurătorile au fost efectuate la platforma de cooperare tehnologică industrială și automată (IFA) la Facultatea de Inginerie Mecanică de la Ruhr-University Bochum, Germania.

Figura 5: Măsurări de zgomot aerian ale combinațiilor de oțel de peele și oțel de oțel într-o unitate de viteză elicoidală la 3000 rpm: prin utilizarea PEEK, nivelul de zgomot a fost chiar redus cu mai mult de 10 dB în unele cazuri

Mercedes-Benz: plastic în loc de metal

Avantajele descrise mai sus permit aplicarea seriei de angrenaje PEEK în transmisiile de echilibru în masă de la Mercedes-Benz (imaginea antetului). Acesta este primul angrenaj de plastic PEEK utilizat în această aplicație provocatoare de motor, înlocuind angrenajele metalice dedicate anterior. După o serie de teste și evaluări de către partenerii de producție, Peek este gata de utilizare în acest mediu dur. Angrenajele sunt fabricate prin modelarea prin injecție, care este rentabilă și precisă și nu necesită post-procesare extinsă, așa cum a fost anterior cazul cu metalul. În plus, momentul de masă mai mic de inerție în timpul conducerii economisește energie și permite un comportament de rulare lină și cu zgomot redus.

Rezumat și perspective

De la inginerie auto tradițională până la robotică la drone, aplicațiile potențiale pentru angrenaje din plastic sunt extrem de diverse. Materialele plastice de înaltă performanță, cum ar fi PEEK, extind utilizarea angrenajelor din plastic în transmisii la intervalele de cuplu, viteză și temperatură mai mari. Pentru a realiza acest lucru, acestea trebuie să fie proiectate cu materiale plastice, astfel încât să poată fi utilizate pe dispozitive mai mici, mai ușoare și mai eficiente din punct de vedere energetic. Aceste proprietăți excelente vor promova aplicarea angrenajelor PEEK în vehicule electrice și vor înlocui în continuare angrenajele metalice. Tipărirea 3D va ajuta în acest caz. De asemenea, va deschide noi posibilități de aplicație. Aplicarea mai multor soluții hibride și integrarea unor funcții suplimentare, cum ar fi canalele de răcire și lubrifiere aduce, de asemenea, mai multe opțiuni.

În total, tehnologia complexă de modelare prin injecție cu mai multe componente aduce o enormă o libertate de design pentru proiectarea angrenajului. Acest lucru face posibilă utilizarea produselor din materiale plastice optimizate în uzură în zona flancului dinților, materiale plastice modificate în duritate în zona de rădăcină a dinților, metal sau materiale plastice consolidate cu fibre extrem de stresate în zona din jurul vârfului de încărcare, etc. -Roducție eficientă și precisă, de exemplu, prin matrițe rotative. În plus, produsele inteligente bazate pe PEEK permit proiectarea sistemelor tribologice fără lubrifianți externi într-un mod eficient din punct de vedere energetic și de economisire a materialelor (prin întărirea și aditivii).