Peek substitúe o metal e úsase por primeira vez en Mercedes-Benz Gearbox Gears

Peek substitúe o metal e úsase por primeira vez en Mercedes-Benz Gearbox Gears

Os plásticos de alto rendemento como a polietheretona (PEEK) ofrecen moitas oportunidades útiles para mellorar a marcha. Os engrenaxes de PEEK úsanse por primeira vez en caixas de cambios Mercedes-Benz.

Os engrenaxes de equilibrador de masas feitos de Vestakeep 5000 g son os primeiros engrenaxes de plástico que se usan nas transmisións de Mercedes-Benz. Substitúe a engrenaxe metálica usada anteriormente

Os engrenaxes de plástico están substituíndo gradualmente engrenaxes metálicas tradicionais en numerosas aplicacións técnicas porque son máis lixeiras, máis tranquilas, teñen boas propiedades en seco, teñen baixa fricción e desgaste e pódense fabricar de forma eficiente. Os produtos feitos de plásticos de alto rendemento como a poliéterona (PEEK) son xeralmente máis estables mecánicamente, térmicamente e químicamente que engrenaxes feitos de plásticos de enxeñaría e permiten así valores de límite de carga estendidos. Un requisito previo importante para isto é a avaliación da conformidade e o deseño de compoñentes adecuados para o tipo de plástico.

En 2018, fundouse un centro de competencias para a triboloxía en Darmstadt, Alemaña, para o desenvolvemento de plásticos de alto rendemento para a produción de compoñentes suxeitos a estrés por fricción, como: Peek, Polyamide 12 (PA12) e polimida (PI). Ademais de métodos convencionais como probas pin-on-disk e balón en disco (a través de mini tractores), instalaron un novo tipo de plataforma de proba (Fig. 1).

Figura 1: O Centro de competencias de triboloxía en Darmstadt, Alemaña, instalou unha plataforma de proba de engrenaxes para probar engrenaxes de plástico: permite o deseño de engrenaxes determinando valores característicos específicos de compoñentes

Banco de proba para a avaliación de engrenaxes de plástico

O comportamento de fricción e desgaste dos engrenaxes é complexo e depende das tensións específicas locais en contacto co piñón de aceiro e as condicións ambientais durante o funcionamento. Ata a data, nin probas de modelos como probas pin-disco nin combinacións tradicionais de probas mecánicas estáticas e dinámicas en exemplares estándar foron capaces de avaliar adecuadamente o comportamento dos engrenaxes plásticos en funcionamento debido ás condicións especiais de malla dos engrenaxes. En cambio, os valores característicos específicos do compoñente para o deseño pódense determinar en engrenaxes de plástico nas probas de compoñentes da nova plataforma de proba de engrenaxes. A fricción dinámica e as cargas alternativas mecánicas aplícanse a través do piñón dirixido por metais nos dentes de engrenaxe de plástico baixo carga de par definida, velocidade e temperatura. Os engrenaxes de plástico lubricados con aceite ou graxa, etc. pódense comparar con engrenaxes de plástico en seco.



A proba realízase segundo o estándar VDI 2736-4 alemán ("Engrenaxes termoplásticas: determinación das características de capacidade de carga de engrenaxes") para determinar a capacidade de carga do dente e o coeficiente de desgaste de diferentes conxuntos de carga. Estes resultados úsanse como datos en bruto en programas de simulación de deseño de engrenaxes profesionais para axudar aos clientes a optimizar os deseños. As probas continúan normalmente ata que a engrenaxe falla debido ao desgaste do flanco ou á fractura da raíz do dente. A temperatura da raíz do dente afecta á variación de carga que pode soportar, polo que se pode medir e controlar con sensores infravermellos (IR) nos postos de proba existentes.

Convencentes propiedades mecánicas e resistencia química de PEEK

Ao desenvolver polímeros de alto rendemento para engrenaxes, os diferentes requisitos mecánicos, térmicos e tribolóxicos deberían harmonizar o máximo posible segundo as tensións implicadas. Algunhas modificacións de materiais poden afectar negativamente ao rendemento da engrenaxe. Por exemplo, os aditivos que ás veces se usan para mellorar as propiedades anti-desgastamento ou reducir a fricción poden afectar negativamente o comportamento mecánico dinámico dunha engrenaxe (dependendo das características das partículas e da súa adhesión á matriz de plástico) se se converten na fonte de defectos ou posibilidade de fisuras ).

En comparación con plásticos de enxeñaría como o polioximetileno (POM), o PA6 e o ​​PA66, o plástico de alto rendemento ten moitas vantaxes cando se usa como material de engrenaxe. En particular, tamén pode transferir cargas altas a altas temperaturas. Debido á súa absorción de auga insignificante e á baixa encollemento e post-rinkage, as partes moldeadas son dimensionalmente estables e, baseándose na estrutura molecular de materiais termoplásticos, tamén é extremadamente resistente químicamente. Estas propiedades son especialmente importantes cando os engrenaxes son lubricados con aceite de motor ou fluído de transmisión, que é un ambiente corrosivo para moitos plásticos.

O almacenamento no aceite permanece sen cambios

Tomar a taxa de elongación despois do almacenamento de contacto completo en aceite de engrenaxe como exemplo (figura 2), podemos ver que Peek (marca: evonik vestkeep 4000 g) é mellor que a poliftalamida (PPA, marca: vestámide htplus, gaña o modelo máis duradeiro) é unha poliamida parcialmente aromática con alta estabilidade de temperatura. A alargación ao rendemento de PEEK non cambiou, pero a alargación ao descanso do PPA diminuíu significativamente despois do almacenamento durante 500 horas. As características quebradizas de PEEK reflíctense na elongación ao rendemento, mentres que o PPA reflíctese na elongación ao descanso debido á falta de alargamento ao rendemento. As probas de forza de impacto adicionais demostran aínda máis o seu comportamento mecánico de embrittlement.

Figura 2: Elongación de rendemento de PEEK e elongación de rotura de PPA despois do almacenamento completo de contacto en aceite de engrenaxe a 150 ° C: A elongación do PPA diminúe substancialmente en pouco tempo, mentres que a alargación da taxa de PEEK segue sendo a mesma.

En comparación con outros plásticos de enxeñaría, a estabilidade mecánica e térmica extremadamente alta de PEEK fixo que o seu éxito nas aplicacións de engrenaxes. Isto é ilustrado probando engrenaxes feitas de altas dúctiles de peso molecular en condicións lubricadas secas e de aceite a 80 ° C e 130 ° C, respectivamente, empregando a plataforma de proba descrita (Fig. 3). A engrenaxe de plástico é conducida a 650 rpm por un piñón cunha dureza e rugosidade específicas da superficie. O resultado é que PEEK lubricada por petróleo pode transmitir cargas extremadamente altas durante unha vida útil moi longa. En condicións de correr en seco, as engrenaxes normalmente fallan debido ao desgaste do flanco, mentres que en condicións lubricadas por petróleo, as engrenaxes normalmente fallan debido á fractura raíz inducida pola fatiga.

Figura 3: Probas mecánicas de engrenaxes feitas de Vestakeep 5000 g: As engrenaxes PEEK lubricadas por aceite poden transmitir cargas máis altas en varios ciclos

Reducir a fricción con PEEK

As vantaxes adicionais de PEEK inclúen excelentes propiedades tribolóxicas e de desgaste, especialmente un baixo desgaste e coeficiente de fricción. Este último asegura un aforro de enerxía xa sexa seco ou lubricado. Isto confirmouse noutro experimento (Fig. 4). Os coeficientes de fricción de combinacións de aceiro e aceiro de aceiro en probas de balón en aceite de motor a 23 ° C e 130 ° C pasando unha bóla de aceiro cun radio de 9,5 mm e un disco de aceiro e un disco de círculo de ión era estaba estudado. Durante o experimento, a bola de aceiro foi cargada con 30N e funcionaba cunha relación de diapositivas do 25%, que se pode usar para probar o movemento de diapositivas de dúas combinacións de materiais.

Fig. 4: Coeficientes de fricción de combinacións de aceiro e aceiro de aceiro en aceites de motor: os coeficientes son significativamente máis baixos co uso do vestiario de plástico de alto rendemento 5000 g

A chamada curva de Stribeck demostra que o uso de combinacións de aceiro PEEK en sistemas lubricados por petróleo permite solucións extremadamente eficientes enerxéticamente. O coeficiente de fricción da combinación de aceiro-aceiro aumenta ata as 4-7 veces orixinais. Isto pódese explicar polo comportamento viscoelástico de PEEK e a menor presión hertziana resultante entre as superficies de contacto.

O comportamento viscoelástico e o bo efecto de amortecemento de PEEK tamén son motivos para as súas agradables características de ruído. Coa eliminación do ruído do motor de combustión interna, as transmisións silenciosas son cada vez máis importantes, especialmente para os vehículos eléctricos. Nas unidades de engrenaxes helicoidal lubricadas en graxa, a combinación de aceiro PEEK reduce significativamente o ruído do aire, nalgúns casos en máis de 10dB (Fig. 5). As medicións realizáronse na plataforma de cooperación tecnolóxica industrial e automotriz (IFA) na Facultade de Enxeñaría Mecánica de Ruhr-University Bochum, Alemaña.

Figura 5: Medicións de ruído aéreo de combinacións de aceiro de aceiro e aceiro lubricadas en graxa nunha unidade de engrenaxes helicoidal a 3000 rpm: utilizando Peek, o nivel de ruído incluso se reduciu en máis de 10 dB nalgúns casos

Mercedes-Benz: plástico en vez de metal

As vantaxes descritas anteriormente permiten que a aplicación de engrenaxes de PEEK en transmisións de equilibrador masivo de Mercedes-Benz (imaxe de cabeceira). Esta é a primeira engrenaxe de plástico Peek empregada nesta desafiante aplicación do motor, substituíndo as engrenaxes metálicas dedicadas anteriormente. Despois dunha serie de probas e avaliacións dos socios de fabricación, Peek está preparado para o seu uso neste ambiente duro. Os engrenaxes son fabricados mediante moldeo por inxección, que é rendible e preciso, e non require un post-procesamento extenso, como antes foi o caso do metal. Ademais, o momento en masa inferior de inercia durante a condución aforra enerxía e permite un bo funcionamento e un comportamento de baixo ruído.

Resumo e perspectiva

Desde a enxeñería tradicional do automóbil ata a robótica ata os drons, as aplicacións potenciais para engrenaxes de plástico son extremadamente diversas. Os plásticos de alto rendemento como PEEK amplían o uso de engrenaxes de plástico en transmisións a intervalos de par, velocidade e temperatura máis elevados. Para conseguilo, deben ser deseñados con plásticos en mente para que poidan usarse en dispositivos máis pequenos, máis lixeiros e máis eficientes enerxéticamente. Estas excelentes propiedades promoverán a aplicación de engrenaxes en vehículos eléctricos e substituirán aínda máis as engrenaxes metálicas. A impresión 3D axudará neste caso. Tamén abrirá novas posibilidades de aplicación. A aplicación de máis solucións híbridas e a integración de funcións adicionais como as canles de refrixeración e lubricación tamén trae máis opcións.

En definitiva, a complexa tecnoloxía de moldura de inxección multi-compoñentes trae unha enorme liberdade de deseño para o deseño de engrenaxes. Isto fai posible empregar produtos feitos de plásticos optimizados no desgaste na zona do flanco dos dentes, plásticos modificados pola dureza na zona da raíz do dente, metal ou plásticos reforzados con fibra altamente estresados ​​na zona arredor do pico de carga, etc. -Produción eficaz e precisa, por exemplo, a través de moldes rotativos. Ademais, os produtos de material intelixente baseados en PEEK permiten o deseño de sistemas tribolóxicos sen lubricantes externos dun xeito eficiente enerxético e de aforro de materiais (a través de reforzo e aditivos).