Peek thay thế kim loại và lần đầu tiên được sử dụng trong bánh răng hộp số Mercedes-Benz

Peek thay thế kim loại và lần đầu tiên được sử dụng trong bánh răng hộp số Mercedes-Benz

Nhựa hiệu suất cao như polyetheretherketone (PEEK) cung cấp nhiều cơ hội hữu ích để cải thiện thiết bị. Các bánh răng PEEK được sử dụng lần đầu tiên trong các hộp số Mercedes-Benz.

Các bánh răng cân bằng khối lượng làm bằng Vestakeep 5000 g là các bánh răng nhựa đầu tiên được sử dụng trong truyền Mercedes-Benz. Nó thay thế các thiết bị kim loại đã sử dụng trước đó

Các bánh răng nhựa đang dần thay thế các bánh răng kim loại truyền thống trong nhiều ứng dụng kỹ thuật vì chúng nhẹ hơn, yên tĩnh hơn, có tính chất hoạt động khô tốt, có ma sát và hao mòn thấp, và có thể được sản xuất hiệu quả. Các sản phẩm được làm từ nhựa hiệu suất cao như polyetheretherketone (PEEK) thường ổn định hơn về mặt cơ học, nhiệt và hóa học so với các bánh răng làm từ nhựa kỹ thuật và do đó cho phép các giá trị giới hạn tải mở rộng. Một điều kiện tiên quyết quan trọng cho điều này là đánh giá sự phù hợp và thiết kế thành phần phù hợp cho loại nhựa.

Vào năm 2018, một trung tâm năng lực của bộ lạc được thành lập tại Darmstadt, Đức, để phát triển nhựa hiệu suất cao để sản xuất các thành phần chịu căng thẳng ma sát, như: Peek, polyamide 12 (PA12) và polyimide (PI). Ngoài các phương pháp thông thường như thử nghiệm pin-on-đĩa và bóng trên đĩa (thông qua máy kéo mini), họ đã cài đặt một loại giàn thử nghiệm mới (Hình 1).

Hình 1: Trung tâm năng lực Tribology ở Darmstadt, Đức, đã cài đặt một giàn thử nghiệm bánh răng để kiểm tra bánh răng nhựa: nó cho phép thiết kế bánh răng bằng cách xác định các giá trị đặc trưng cụ thể của thành phần

Băng ghế kiểm tra để đánh giá bánh răng nhựa

Hành vi ma sát và hao mòn của bánh răng rất phức tạp và phụ thuộc vào các ứng suất cục bộ cụ thể khi tiếp xúc với bánh răng thép và điều kiện môi trường trong quá trình hoạt động. Cho đến nay, cả hai bài kiểm tra mô hình như thử nghiệm PIN-on-Disc cũng như các kết hợp truyền thống của các thử nghiệm cơ học tĩnh và động trên mẫu vật tiêu chuẩn đã có thể đánh giá đầy đủ hành vi của bánh răng nhựa trong hoạt động do các điều kiện chia lưới đặc biệt của bánh răng. Thay vào đó, các giá trị đặc trưng cụ thể của thành phần cho thiết kế có thể được xác định trên các bánh răng nhựa trong các thử nghiệm thành phần trên giàn thử nghiệm bánh răng mới. Ma sát động và tải trọng xen kẽ cơ học được áp dụng thông qua bánh răng điều khiển bằng kim loại vào răng bánh răng bằng các điều kiện tải mô -men xoắn, tốc độ và nhiệt độ xác định. Bánh răng nhựa được bôi trơn bằng dầu hoặc dầu mỡ, vv có thể được so sánh với bánh răng nhựa khô.



Thử nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn VDI 2736-4 của Đức ("Bánh răng nhựa nhiệt dẻo: Xác định các đặc tính công suất tải bánh răng") để xác định khả năng tải răng và hệ số hao mòn của các bộ tải khác nhau. Những kết quả này được sử dụng làm dữ liệu thô trong các chương trình mô phỏng thiết kế thiết bị chuyên nghiệp để giúp khách hàng tối ưu hóa các thiết kế. Thử nghiệm thường tiếp tục cho đến khi bánh răng bị hỏng do gãy sườn hoặc gãy chân răng. Nhiệt độ rễ răng ảnh hưởng đến sự thay đổi tải trọng mà nó có thể chịu được, do đó nó có thể được đo và kiểm soát bằng các cảm biến hồng ngoại (IR) trên các giá đỡ thử nghiệm hiện có.

Thuộc tính cơ học thuyết phục và kháng hóa học của PEEK

Khi phát triển các polyme hiệu suất cao cho bánh răng, các yêu cầu cơ học, nhiệt và bộ lạc khác nhau nên được hài hòa càng nhiều càng tốt theo các ứng suất liên quan. Một số sửa đổi vật liệu có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất thiết bị. Ví dụ, các chất phụ gia đôi khi được sử dụng để cải thiện các đặc tính chống mặc hoặc giảm ma sát có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hành vi cơ học động của bánh răng (tùy thuộc vào đặc điểm hạt và độ bám dính của nó với ma trận nhựa) nếu chúng trở thành nguồn gốc của khả năng hoặc vết nứt ).

So với các loại nhựa kỹ thuật như polyoxymetylen (POM), PA6 và PA66, Peek nhựa hiệu suất cao có nhiều lợi thế khi được sử dụng làm vật liệu bánh răng. Đặc biệt, nó cũng có thể chuyển tải cao ở nhiệt độ cao. Do sự hấp thụ nước không đáng kể của nó và co rút thấp và sau khi cắt, các bộ phận đúc ổn định kích thước, và dựa trên cấu trúc phân tử của vật liệu nhựa nhiệt dẻo, nó cũng cực kỳ kháng hóa học. Những tính chất này đặc biệt quan trọng khi các bánh răng được bôi trơn bằng dầu động cơ hoặc chất lỏng truyền, đây là một môi trường ăn mòn cho nhiều loại nhựa.

Lưu trữ trong dầu vẫn không thay đổi

Lấy tốc độ kéo dài sau khi lưu trữ tiếp xúc đầy đủ trong Dầu bánh là một ví dụ (Hình 2), chúng ta có thể thấy rằng Peek (Brand: Evonik Vestakeeep 4000 G) tốt hơn polyphthalamide (PPA, thương hiệu: Vestamid HTPLUS, giành được mô hình bền hơn) là một polyamide thơm một phần với độ ổn định nhiệt độ cao. Độ giãn dài khi sản lượng của Peek không thay đổi, nhưng độ giãn dài khi phá vỡ PPA giảm đáng kể sau khi lưu trữ trong 500 giờ. Các đặc điểm giòn của PEEK được phản ánh trong sự kéo dài khi năng suất, trong khi PPA được phản ánh trong độ giãn dài khi bị phá vỡ do thiếu độ giãn dài khi năng suất. Các bài kiểm tra sức mạnh tác động bổ sung thể hiện thêm hành vi nắm lấy cơ học của nó.

Hình 2: Năng lượng kéo dài của PEEK và phá vỡ độ giãn dài của PPA sau khi lưu trữ tiếp xúc đầy đủ trong dầu bánh răng ở 150 ° C: độ giãn dài của PPA giảm đáng kể trong một thời gian ngắn, trong khi sự kéo dài của tốc độ PEEK vẫn giữ nguyên.

So với các loại nhựa kỹ thuật khác, sự ổn định cơ học và nhiệt cực kỳ cao của Peek đã khiến nó trở nên thành công trong các ứng dụng bánh răng. Điều này được minh họa bằng các bánh răng thử nghiệm làm từ cái nhìn dễ uốn trọng lượng phân tử cao trong điều kiện khô và bôi trơn dầu ở 80 ° C và 130 ° C, bằng cách sử dụng giàn thử nghiệm được mô tả (Hình 3). Thiết bị nhựa được điều khiển ở 650 vòng / phút bằng một bánh răng với độ cứng và độ cứng bề mặt cụ thể. Kết quả là Peek được bôi trơn dầu có thể truyền tải cực kỳ cao trong một cuộc sống dịch vụ cực kỳ dài. Trong điều kiện chạy khô, các bánh răng thường thất bại do độ mòn của sườn, trong khi trong điều kiện bôi trơn dầu, bánh răng thường thất bại do gãy rễ do mệt mỏi.

Hình 3: Thử nghiệm cơ học của các bánh răng làm bằng VestAKEEP 5000 g: Bánh răng lub-lubicated dầu có thể truyền tải trọng cao hơn trong nhiều chu kỳ

Giảm ma sát với Peek

Ưu điểm bổ sung của Peek bao gồm các đặc tính bộ lạc và hao mòn tuyệt vời, đặc biệt là hao mòn thấp và hệ số ma sát. Sau này đảm bảo tiết kiệm năng lượng cho dù đang chạy khô hay bôi trơn. Điều này đã được xác nhận trong một thí nghiệm khác (Hình 4). Các hệ số ma sát của các kết hợp thép thép và thép trong các thử nghiệm bóng trên dầu trong dầu động cơ ở 23 ° C và 130 ° C bằng cách chuyền một quả bóng thép có bán kính 9,5 mm và đĩa thép và đĩa tròn Peek là đã học. Trong thí nghiệm, quả bóng thép được tải với 30N và được vận hành với tỷ lệ cuộn trượt là 25%, có thể được sử dụng để kiểm tra chuyển động của slide-roll của hai kết hợp vật liệu.

Hình.

Cái gọi là đường cong Stribeck cho thấy việc sử dụng các kết hợp thép Peek trong các hệ thống bôi trơn dầu cho phép các giải pháp cực kỳ tiết kiệm năng lượng. Hệ số ma sát của tổ hợp thép thép được tăng lên 4-7 lần ban đầu. Điều này có thể được giải thích bằng hành vi nhớt của Peek và kết quả là áp lực Hertzian thấp hơn giữa các bề mặt tiếp xúc.

Hành vi nhớt và hiệu ứng giảm xóc tốt của PEEK cũng là những lý do cho các đặc điểm tiếng ồn dễ chịu của nó. Với việc loại bỏ tiếng ồn động cơ đốt trong, truyền im lặng ngày càng trở nên quan trọng hơn, đặc biệt là đối với xe điện. Trong các đơn vị bánh răng xoắn ốc được bôi trơn bằng dầu mỡ, sự kết hợp bằng thép Peek làm giảm đáng kể tiếng ồn trong không khí, trong một số trường hợp hơn 10dB (Hình 5). Các phép đo được thực hiện tại nền tảng hợp tác công nghiệp công nghiệp và ô tô (IFA) tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí tại Ruhr-University Bochum, Đức.

Hình 5: Các phép đo tiếng ồn trong không khí của các kết hợp thép và thép bằng thép được bôi trơn bằng dầu mỡ trong một đơn vị bánh răng xoắn ở mức 3000 vòng / phút: bằng cách sử dụng PEEK, mức độ nhiễu thậm chí còn giảm hơn 10 dB trong một số trường hợp

Mercedes-Benz: nhựa thay vì kim loại

Những lợi thế được mô tả ở trên cho phép ứng dụng loạt các bánh răng PEEK trong các hộp số cân bằng khối lượng từ Mercedes-Benz (hình ảnh tiêu đề). Đây là thiết bị nhựa PEEK đầu tiên được sử dụng trong ứng dụng động cơ đầy thách thức này, thay thế các bánh răng kim loại chuyên dụng trước đó. Sau một loạt các thử nghiệm và đánh giá của các đối tác sản xuất, Peek đã sẵn sàng để sử dụng trong môi trường khắc nghiệt này. Các bánh răng được sản xuất bằng cách ép phun, hiệu quả về chi phí và chính xác, và không yêu cầu xử lý hậu kỳ rộng rãi như trước đây với kim loại. Ngoài ra, thời điểm quán tính thấp hơn trong khi lái xe tiết kiệm năng lượng và cho phép chạy trơn tru và hành vi nhiễu thấp.

Tóm tắt và triển vọng

Từ kỹ thuật ô tô truyền thống đến robot đến máy bay không người lái, các ứng dụng tiềm năng cho bánh răng nhựa là vô cùng đa dạng. Nhựa hiệu suất cao như Peek mở rộng việc sử dụng bánh răng nhựa trong truyền đến mô-men xoắn, tốc độ và nhiệt độ cao hơn. Để đạt được điều này, chúng phải được thiết kế với nhựa trong tâm trí để chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Những đặc tính tuyệt vời này sẽ thúc đẩy việc áp dụng các bánh răng PEEK trong xe điện và thay thế thêm các bánh răng kim loại. In 3D sẽ giúp trong trường hợp này. Nó cũng sẽ mở ra các khả năng ứng dụng mới. Việc áp dụng các giải pháp lai nhiều hơn và tích hợp các chức năng bổ sung như kênh làm mát và bôi trơn cũng mang lại nhiều tùy chọn hơn.

Tất cả trong tất cả, công nghệ ép phun đa thành phần phức tạp mang lại sự tự do thiết kế to lớn cho thiết kế thiết bị. Điều này cho phép sử dụng các sản phẩm làm bằng nhựa được tối ưu hóa trong khu vực sườn răng, nhựa được biến đổi độ cứng ở vùng rễ răng, kim loại hoặc nhựa được gia cố rất mạnh trong khu vực xung quanh đỉnh tải, v.v. -Sản xuất hiệu quả và chính xác, ví dụ: thông qua khuôn quay. Ngoài ra, các sản phẩm vật liệu thông minh dựa trên PEEK cho phép thiết kế các hệ thống bộ lạc mà không có chất bôi trơn bên ngoài theo cách tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm vật liệu (thông qua cốt thép và phụ gia).