Peek substitueix el metall i s'utilitza per primera vegada en els engranatges de la caixa de canvis Mercedes-Benz

Peek substitueix el metall i s'utilitza per primera vegada en els engranatges de la caixa de canvis Mercedes-Benz

Els plàstics d’alt rendiment com PolyEtheretherketone (PEEK) ofereixen moltes oportunitats útils per a la millora d’engranatges. Els engranatges PEEK s'utilitzen per primera vegada a les caixes de canvis de Mercedes-Benz.

Els engranatges equilibradors de masses fets de Vestakeep 5000 g són els primers engranatges de plàstic que s’utilitzen en les transmissions de Mercedes-Benz. Substitueix el material metàl·lic utilitzat anteriorment

Els engranatges de plàstic substitueixen gradualment els engranatges metàl·lics tradicionals en nombroses aplicacions tècniques perquè són més lleugers, tranquils, tenen bones propietats en sec, tenen una baixa fricció i desgast i es poden fabricar de manera eficient. Els productes fabricats en plàstics d’alt rendiment com la polietheretherketona (PEEK) són generalment més estables mecànicament, tèrmicament i químicament que els engranatges fets de plàstics d’enginyeria i permeten així valors de límit de càrrega estesa. Un requisit important important per a això és l’avaluació de la conformitat i el disseny de components adequat per al tipus de plàstic.

El 2018, es va fundar un Centre de Competència per a la Tribologia a Darmstadt, Alemanya, per al desenvolupament de plàstics d’alt rendiment per a la producció de components sotmesos a estrès de fricció, com: Peek, Poliamida 12 (PA12) i Polimida (PI). A més de mètodes convencionals com ara proves PIN-en-disc i boles en disc (a través de mini tractors), van instal·lar un nou tipus de plataforma de prova (Fig. 1).

Figura 1: El Centre de Competència de la Tribologia de Darmstadt, Alemanya, ha instal·lat una plataforma de prova d’engranatges per provar engranatges de plàstic: permet el disseny d’engranatges determinant valors característics específics dels components

Banc de prova per a l’avaluació d’engranatges de plàstic

El comportament de fricció i desgast dels engranatges és complex i depèn de les tensions locals específiques en contacte amb el pinyó d’acer i les condicions ambientals durant el funcionament. Fins a la data, ni les proves de model com les proves de Pin-on-Disc ni les combinacions tradicionals de proves mecàniques estàtiques i dinàmiques en exemplars estàndard han pogut avaluar adequadament el comportament dels engranatges de plàstic en funcionament a causa de les condicions especials de malla dels engranatges. En canvi, els valors característics específics dels components per al disseny es poden determinar en engranatges de plàstic en proves de components a la nova plataforma de prova de Gear. La fricció dinàmica i les càrregues alternatives mecàniques s’apliquen a través del pinyó impulsat per metalls a les dents de l’engranatge de plàstic sota la càrrega de torsió definida, la velocitat i les condicions de temperatura. Els engranatges de plàstic lubricats amb oli o greix, etc. Es poden comparar amb els engranatges de plàstic en sec.



La prova es realitza segons l'estàndard alemany VDI 2736-4 ("Engranatges termoplàstics: determinació de les característiques de la capacitat de càrrega de l'engranatge") per determinar la capacitat de càrrega dental i el coeficient de desgast de diferents conjunts de càrrega. Aquests resultats s’utilitzen com a dades en brut en programes de simulació de disseny d’aparells professionals per ajudar els clients a optimitzar dissenys. Les proves normalment continuen fins que l’engranatge falla a causa del desgast del flanc o la fractura d’arrel dental. La temperatura de l’arrel dental afecta la variació de càrrega que pot suportar, de manera que es pot mesurar i controlar amb sensors infrarojos (IR) a les estands de prova existents.

Propietats mecàniques convincents i resistència química de Peek

Quan es desenvolupin polímers d’alt rendiment per a engranatges, els diferents requisits mecànics, tèrmics i tribològics s’han d’harmonitzar el màxim possible segons les tensions implicades. Algunes modificacions materials poden afectar negativament el rendiment de l’engranatge. Per exemple, els additius que de vegades s’utilitzen per millorar les propietats anti-roba o reduir la fricció poden afectar negativament el comportament mecànic dinàmic d’un engranatge (depenent de les característiques de les partícules i la seva adhesió a la matriu de plàstic) si es converteixen en la font de defectes o esquerdes possibilitat )).

En comparació amb els plàstics d’enginyeria com el polioximetilè (POM), PA6 i PA66, la mirada de plàstic d’alt rendiment té molts avantatges quan s’utilitza com a material d’engranatge. En particular, també pot transferir càrregues altes a temperatures altes. A causa de la seva absorció d’aigua insignificant i la baixa contracció i el post-shrinkage, les parts modelada són dimensionalment estables i, basades en l’estructura molecular de materials termoplàstics, també és extremadament resistent químicament. Aquestes propietats són especialment importants quan els engranatges es lubricen amb oli de motor o fluid de transmissió, que és un entorn corrosiu per a molts plàstics.

L’emmagatzematge en oli roman inalterat

Prenent la taxa d’allargament després d’emmagatzematge de contacte complet en l’oli d’engranatge com a exemple (figura 2), podem veure que PEEK (marca: EVONIK VESTAKEEP 4000 G) és millor que la poliftalhalamida (PPA, marca: Vestamid HTPlus, guanya el model més durador) és una poliamida parcialment aromàtica amb estabilitat a alta temperatura. L’elongació al rendiment de PEEK no va canviar, però l’ellargament a la ruptura de PPA va disminuir significativament després de l’emmagatzematge durant 500 hores. Les característiques trencadisses de PEEK es reflecteixen en l’allargament al rendiment, mentre que el PPA es reflecteix en l’allargament a la pausa a causa de la manca d’allargament al rendiment. Les proves addicionals de força d’impacte demostren encara més el seu comportament d’embrittlement mecànic.

Figura 2: Allargament del rendiment de la peek i allargament de la PPA després de l'emmagatzematge de contacte complet en oli d'engranatge a 150 ° C: l'elongació de PPA disminueix substancialment en poc temps, mentre que l'elongació de la velocitat de PEEK continua sent la mateixa.

En comparació amb altres plàstics d’enginyeria, l’estabilitat mecànica i tèrmica extremadament alta de Peek l’ha fet succeir en les aplicacions d’engranatges. Això s’il·lustra mitjançant la prova d’engranatges fets de pica dúctil de pes molecular d’alt pes en condicions seques i lubricades d’oli a 80 ° C i 130 ° C, respectivament, utilitzant la plataforma de prova descrita (Fig. 3). L’engranatge de plàstic es condueix a 650rpm per un pinyó amb una duresa i rugositat de superfície específiques. El resultat és que el peek lubricat de petroli pot transmetre càrregues extremadament altes durant una vida útil extremadament llarga. En condicions de funcionament en sec, els engranatges normalment fracassen a causa del desgast del flanc, mentre que en condicions lubricades amb oli, els engranatges normalment fracassen a causa de la fractura de l’arrel induïda per la fatiga.

Figura 3: Prova mecànica dels engranatges fets de Vestakeep 5000 g: els engranatges de peek-lubricat de petroli poden transmetre càrregues més altes en diversos cicles

Reduir la fricció amb Peek

Els avantatges addicionals de PEEK inclouen excel·lents propietats tribològiques i de desgast, especialment desgast i coeficient de fricció. Aquest últim garanteix un estalvi energètic, ja sigui sec o lubricat. Això es va confirmar en un altre experiment (Fig. 4). Els coeficients de fricció de combinacions d’acer i acer peek en proves de boles en disc en oli del motor a 23 ° C i 130 ° C passant una bola d’acer amb un radi de 9,5 mm i un disc d’acer i un disc de cercle peek era estudiat. Durant l'experiment, la bola d'acer es va carregar amb 30N i es va operar amb una proporció de rodament de diapositives del 25%, que es pot utilitzar per provar el moviment de rodes de diapositives de dues combinacions de materials.

Fig. 4: Coeficients de fricció de combinacions d'acer i d'acer d'acer en olis de motor: els coeficients són significativament més baixos amb l'ús del plàstic de gran rendiment Vestakeep 5000 g

L’anomenada corba de Stribeck mostra que l’ús de combinacions d’acer Peek en sistemes lubricats amb oli permet solucions extremadament eficients energètiques. El coeficient de fricció de la combinació d’acer d’acer s’incrementa fins a les 4-7 vegades original. Això es pot explicar pel comportament viscoelàstic de PEEK i la pressió hertziana inferior resultant entre les superfícies de contacte.

El comportament viscoelàstic i el bon efecte d’amortiment de PEEK també són motius per a les seves agradables característiques del soroll. Amb l'eliminació del soroll del motor de combustió interna, les transmissions silencioses són cada cop més importants, especialment per als vehicles elèctrics. En les unitats d’engranatges helicoïdals lubricats per greixos, la combinació d’acer Peek redueix significativament el soroll a l’aire, en alguns casos per més de 10dB (Fig. 5). Les mesures es van dur a terme a la plataforma de cooperació tecnològica de Drive Industrial and Automotive Drive (IFA) a la Facultat d'Enginyeria Mecànica de Ruhr-University Bochum, Alemanya.

Figura 5: Mesures del soroll aeri de les combinacions d’acer i acer d’acer de grease-lubricat

Mercedes-Benz: plàstic en lloc de metall

Els avantatges descrits anteriorment permeten l’aplicació de la sèrie d’engranatges PEEK en transmissions d’equilibrador de masses de Mercedes-Benz (imatge de capçalera). Es tracta del primer equip de plàstic Peek que s’utilitza en aquesta desafiant aplicació del motor, que substitueix els engranatges metàl·lics anteriorment dedicats. Després d'una sèrie de proves i avaluacions per part dels socis de fabricació, Peek està preparat per utilitzar -lo en aquest entorn dur. Els engranatges es fabriquen mitjançant modelat per injecció, que és rendible i precís, i no requereix un post-processament extensiu com era anteriorment el cas del metall. A més, el moment inferior de la inèrcia durant la conducció estalvia energia i permet un bon funcionament i un comportament baix.

Resum i Outlook

Des de l’enginyeria d’automòbils tradicionals fins a la robòtica fins als drons, les possibles aplicacions per a engranatges de plàstic són extremadament diverses. Els plàstics d’alt rendiment com PEEK amplien l’ús d’engranatges de plàstic en transmissions a un parell més elevat, velocitat i intervals de temperatura. Per aconseguir-ho, s’han de dissenyar tenint en compte els plàstics perquè es puguin utilitzar en dispositius més petits, més lleugers i més eficients energèticament. Aquestes excel·lents propietats promouran l’aplicació d’engranatges PEEK en vehicles elèctrics i substituiran encara més engranatges metàl·lics. La impressió 3D ajudarà en aquest cas. També obrirà noves possibilitats d'aplicacions. L’aplicació de més solucions híbrides i la integració de funcions addicionals com ara els canals de refrigeració i lubricació també aporta més opcions.

Tot plegat, la complexa tecnologia de modelat per injecció de multi-components aporta una enorme llibertat de disseny al disseny d’engranatges. Això permet utilitzar productes fabricats en plàstics optimitzats per desgast a la zona del flanc dental, plàstics modificats per duresa a la zona de l’arrel dental, metall o plàstics reforçats amb fibra molt estressats a la zona que hi ha al voltant del pic de càrrega, etc. -El de producció eficaç i precisa, per exemple, a través de motlles rotatius. A més, els productes de materials intel·ligents basats en PEEK permeten el disseny de sistemes tribrològics sense lubricants externs de manera eficient en energia i estalvi de materials (mitjançant reforç i additius).