Peek zëvendëson metalin dhe përdoret së pari në ingranazhet e ingranazheve Mercedes-Benz

Peek zëvendëson metalin dhe përdoret së pari në ingranazhet e ingranazheve Mercedes-Benz

Plastika me performancë të lartë si Polyetheretketone (PEEK) ofrojnë shumë mundësi të dobishme për përmirësimin e ingranazheve. Ingranazhet PEEK përdoren për herë të parë në kuti ingranazhesh Mercedes-Benz.

Ingranazhet e balancës masive të bëra nga Vestakeep 5000 g janë ingranazhet e para plastike që përdoren në transmetimet Mercedes-Benz. Zëvendëson ingranazhin metalik të përdorur më parë

Ingranazhet plastike gradualisht po zëvendësojnë ingranazhet tradicionale metalike në aplikacione të shumta teknike sepse ato janë më të lehta, më të qeta, kanë veti të mira të tharjes, kanë fërkime të ulëta dhe veshje, dhe mund të prodhohen në mënyrë efikase. Produktet e bëra nga plastika me performancë të lartë si polyetheretketone (PEEK) janë përgjithësisht më të qëndrueshme mekanikisht, termikisht dhe kimikisht sesa ingranazhet e bëra nga plastika inxhinierike dhe kështu mundësojnë vlera të zgjatura të kufirit të ngarkesës. Një parakusht i rëndësishëm për këtë është vlerësimi i konformitetit dhe dizajni i përshtatshëm i komponentëve për llojin e plastikës.

Në vitin 2018, u themelua një Qendër e Kompetencave për Tribologji në Darmstadt, Gjermani, për zhvillimin e plastikës me performancë të lartë për prodhimin e përbërësve që i nënshtrohen stresit të fërkimit, siç janë: Peek, Polyamide 12 (PA12) dhe Polyimide (PI). Përveç metodave konvencionale të tilla si testet pin-në-disk dhe top-mbi-disk (përmes mini traktorëve), ata instaluan një lloj të ri të pajisjes së provës (Fig. 1).

Figura 1: Qendra e Kompetencave të Tribologjisë në Darmstadt, Gjermani, ka instaluar një pajisje të provës së ingranazheve për testimin e ingranazheve plastike: Mundëson hartimin e ingranazheve duke përcaktuar vlerat karakteristike specifike të komponentit

Testimi i stolit për vlerësimin e ingranazheve plastike

Fërkimi dhe sjellja e veshjes së ingranazheve është komplekse dhe varet nga streset specifike lokale në kontakt me pinin e çelikut dhe kushtet e mjedisit gjatë funksionimit. Deri më tani, as testet e modelit siç janë testet e pin-on-disk dhe as kombinimet tradicionale të testeve mekanike statike dhe dinamike në ekzemplarët standarde nuk kanë qenë në gjendje të vlerësojnë në mënyrë adekuate sjelljen e ingranazheve plastike në funksionim për shkak të kushteve speciale të rrjetës së ingranazheve. Përkundrazi, vlerat karakteristike specifike për komponentë për dizajnin mund të përcaktohen në ingranazhet plastike në testet e përbërësve në pajisjen e re të ingranazhit. Fërkimi dinamik dhe ngarkesat alternative mekanike aplikohen përmes pinit të drejtuar nga metali në dhëmbët e ingranazheve plastike nën ngarkesën e çift rrotullimit të përcaktuar, shpejtësinë dhe kushtet e temperaturës. Ingranazhet plastike të lubrifikuara me vaj ose yndyrat etj. Mund të krahasohen me ingranazhet plastike të rrjedhshme.



Testi kryhet sipas standardit gjerman VDI 2736-4 ("ingranazhet termoplastike: përcaktimi i karakteristikave të kapacitetit të ngarkesës së ingranazheve") për të përcaktuar kapacitetin e ngarkesës së dhëmbit dhe koeficientin e veshjes së grupeve të ndryshme të ngarkesës. Këto rezultate përdoren si të dhëna të papërpunuara në programet e simulimit të dizajnit të ingranazheve profesionale për të ndihmuar klientët të optimizojnë modelet. Testimi në mënyrë tipike vazhdon derisa ingranazhi të dështojë për shkak të veshjes së krahut ose frakturës së rrënjës së dhëmbit. Temperatura e rrënjës së dhëmbit ndikon në variacionin e ngarkesës që mund t'i rezistojë, kështu që mund të matet dhe kontrollohet me sensorë infra të kuqe (IR) në stendat ekzistuese të provës.

Karakteristikat mekanike bindëse dhe rezistenca kimike e shikimit

Kur zhvilloni polimere me performancë të lartë për ingranazhet, kërkesat e ndryshme mekanike, termike dhe tribologjike duhet të harmonizohen sa më shumë që të jetë e mundur sipas streseve të përfshira. Disa modifikime materiale mund të ndikojnë negativisht në performancën e ingranazheve. Për shembull, aditivët që përdoren ndonjëherë për të përmirësuar vetitë kundër veshjes ose për të zvogëluar fërkimin mund të ndikojnë negativisht në sjelljen dinamike mekanike të një ingranazhi (në varësi të karakteristikave të grimcave dhe ngjitjes së tij në matricën plastike) nëse ato bëhen burimi i defekteve ose mundësive të çarjeve ).

Krahasuar me plastikën inxhinierike si poloksimetileni (POM), PA6 dhe PA66, PEEK plastike me performancë të lartë ka shumë përparësi kur përdoret si një material ingranazhi. Në veçanti, ai gjithashtu mund të transferojë ngarkesa të larta në temperatura të larta. Për shkak të thithjes së tij të papërfillshme të ujit dhe tkurrjes së ulët dhe post-trinkage, pjesët e formuara janë dimensionale të qëndrueshme, dhe bazuar në strukturën molekulare të materialeve termoplastike, është gjithashtu jashtëzakonisht rezistent kimikisht. Këto veti janë veçanërisht të rëndësishme kur ingranazhet lubrifikohen me vaj motorik ose lëng transmetimi, i cili është një mjedis gërryes për shumë plastikë.

Ruajtja në vaj mbetet e pandryshuar

Marrja e nivelit të zgjatjes pas ruajtjes së plotë të kontaktit në vajin e ingranazheve si një shembull (Figura 2), ne mund të shohim që PEEK (Markë: Evonik Vestakeep 4000 g) është më i mirë se polifalamidi (PPA, Markë: Vestamid Htplus, fitoni modelin më të qëndrueshëm) është një poliamid pjesërisht aromatik me stabilitet të temperaturës së lartë. Zgjatja në rendimentin e shikimit nuk ndryshoi, por zgjatja në pushim të PPA u ul ndjeshëm pas ruajtjes për 500 orë. Karakteristikat e brishta të shikimit reflektohen në zgjatjen në rendiment, ndërsa PPA reflektohet në zgjatjen në pushim për shkak të mungesës së zgjatjes në rendiment. Testet shtesë të forcës së ndikimit demonstrojnë më tej sjelljen e tij mekanike të përqafimit.

Figura 2: Zgjatja e rendimentit të PEEK dhe zgjatja e prishjes së PPA pas ruajtjes së plotë të kontaktit në vajin e ingranazheve në 150 ° C: Zgjatja e PPA zvogëlohet në mënyrë të konsiderueshme në një kohë të shkurtër, ndërsa zgjatja e shkallës së PEEK mbetet e njëjtë.

Krahasuar me plastikën tjetër inxhinierike, stabiliteti jashtëzakonisht i lartë mekanik dhe termik i Peek e ka bërë atë të arrihet në aplikimet e ingranazheve. Kjo ilustrohet nga ingranazhet e testimit të bëra nga një vështrim i dukshëm i peshës molekulare të lartë nën kushte të thata dhe të lubrifikuara me vaj në 80 ° C dhe 130 ° C, përkatësisht, duke përdorur pajisjen e përshkruar të provës (Fig. 3). Vegla plastike drejtohet në 650rpm nga një pinion me një ngurtësi dhe vrazhdësi specifike të sipërfaqes. Rezultati është se shikimi i lubrifikuar me vaj mund të transmetojë ngarkesa jashtëzakonisht të larta gjatë një jete shërbimi jashtëzakonisht të gjatë. Në kushte të drejta të thata, ingranazhet zakonisht dështojnë për shkak të veshjes së krahut, ndërsa në kushte të lubrifikuara nga vaji, ingranazhet zakonisht dështojnë për shkak të frakturës rrënjësore të shkaktuara nga lodhja.

Figura 3: Testimi mekanik i ingranazheve të bëra nga Vestakeep 5000 g: Ingranazhet e shikimit të lubrikuara me vaj mund të transmetojnë ngarkesa më të larta në cikle të shumta

Ulni fërkimin me shikimin

Përparësitë shtesë të shikimit përfshijnë veti të shkëlqyera tribologjike dhe veshin, veçanërisht veshin e ulët dhe koeficientin e fërkimit. Kjo e fundit siguron kursimin e energjisë qoftë duke u thatë ose të lubrifikuar. Kjo u konfirmua në një eksperiment tjetër (Fig. 4). Koeficientët e fërkimit të kombinimeve të çelikut dhe çelikut të çelikut në testet e diskut në top në vajin e motorit në 23 ° C dhe 130 ° C duke kaluar një top çeliku me një rreze prej 9.5 mm dhe një disk çeliku dhe një disk rrethi peek ishte studiuar. Gjatë eksperimentit, topi i çelikut ishte i ngarkuar me 30N dhe operohej me një raport rrëshqitës prej 25%, i cili mund të përdoret për të provuar lëvizjen e rrëshqitjes së dy kombinimeve materiale.

Fig. 4: Koeficientët e fërkimit të kombinimeve të çelikut dhe çelikut të çelikut në vajrat motorikë: Koeficientët janë dukshëm më të ulët me përdorimin e Vesakeep Plastic me performancë të lartë 5000 g

E ashtuquajtura kurba e Stribeck tregon se përdorimi i kombinimeve të çelikut PEEK në sistemet e lubrifikuara nga nafta mundëson zgjidhje jashtëzakonisht të efektshme për energji. Koeficienti i fërkimit të kombinimit të çelikut të çelikut është rritur në origjinal 4-7 herë. Kjo mund të shpjegohet me sjelljen viskoelastike të PEEK dhe presionit të ulët të Hertzian që rezulton midis sipërfaqeve të kontaktit.

Sjellja viskoelastike dhe efekti i mirë i lagështimit të PEEK janë gjithashtu arsye për karakteristikat e saj të këndshme të zhurmës. Me eliminimin e zhurmës së motorit të djegies së brendshme, transmetimet e heshtura po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme, veçanërisht për automjetet elektrike. Në njësitë e ingranazheve spirale të lubrifikuara me yndyrë, kombinimi i çelikut PEEK zvogëlon ndjeshëm zhurmën e ajrit, në disa raste me më shumë se 10dB (Fig. 5). Matjet u kryen në Platformën e Bashkëpunimit të Teknologjisë Industriale dhe Automobile Drive (IFA) në Fakultetin e Inxhinierisë Mekanike në Ruhr-University Bochum, Gjermani.

Figura 5: Matjet e zhurmës në ajër të kombinimeve të çelikut të yndyrës dhe çelikut të çelikut në një njësi ingranazhesh helikale në 3000 rpm: Duke përdorur PEEK, niveli i zhurmës u zvogëlua edhe me më shumë se 10 dB në disa raste

Mercedes-Benz: plastike në vend të metalit

Përparësitë e përshkruara më lart lejojnë aplikimin e serive të ingranazheve PEEK në transmetimet e balancës masive nga Mercedes-Benz (imazhi i kokës). Kjo është veshja e parë plastike PEEK e përdorur në këtë aplikim sfidues të motorit, duke zëvendësuar ingranazhet metalike të dedikuara më parë. Pas një seri testesh dhe vlerësimesh nga partnerët prodhues, Peek është gati për t'u përdorur në këtë mjedis të ashpër. Ingranazhet prodhohen nga formimi i injeksionit, i cili është me kosto efektive dhe të saktë, dhe nuk kërkon përpunim të gjerë pas postimit siç ishte më parë me metal. Përveç kësaj, momenti më i ulët masiv i inercisë gjatë drejtimit kursen energji dhe mundëson sjellje të qetë dhe zhurmë të ulët.

Përmbledhje dhe perspektivë

Nga inxhinieria tradicionale e automobilave deri tek robotika deri tek dronët, aplikimet e mundshme për ingranazhet plastike janë jashtëzakonisht të larmishme. Plastikë me performancë të lartë siç është PEEK zgjerojnë përdorimin e ingranazheve plastike në transmetime në çift rrotullues, shpejtësi dhe temperaturë më të lartë. Për ta arritur këtë, ato duhet të jenë të dizajnuara me plastikë në mendje në mënyrë që ato të mund të përdoren në pajisje më të vogla, më të lehta dhe më të efektshme për energji. Këto prona të shkëlqyera do të promovojnë aplikimin e ingranazheve PEEK në automjete elektrike dhe do të zëvendësojnë më tej ingranazhet metalike. Shtypja 3D do të ndihmojë në këtë rast. Do të hap gjithashtu mundësi të reja të aplikimit. Aplikimi i më shumë zgjidhjeve hibride dhe integrimi i funksioneve shtesë siç janë kanalet e ftohjes dhe lubrifikimit, sjell gjithashtu më shumë mundësi.

Në përgjithësi, teknologjia komplekse e formimit të injeksionit me shumë komponentë sjell liri të madhe të dizajnit për hartimin e ingranazheve. Kjo bën të mundur përdorimin e produkteve të bëra nga plastika e optimizuar e veshjes në zonën e krahut të dhëmbit, plastika e modifikuar nga ngurtësia në zonën e rrënjës së dhëmbit, metali ose plastika e përforcuar me fibra shumë të theksuara në zonën përreth pikut të ngarkesës, etj. Ato mundësojnë kosto -Prodhimi i efektshëm dhe i saktë, p.sh. përmes formave rrotulluese. Për më tepër, produktet e materialeve inteligjente me bazë PEEK mundësojnë hartimin e sistemeve tribologjike pa lubrifikantë të jashtëm në një mënyrë të efektshme të energjisë dhe kursimit të materialit (përmes përforcimit dhe aditivëve).