Peek menggantikan logam dan pertama kali digunakan dalam roda gigi gearbox Mercedes-Benz

Peek menggantikan logam dan pertama kali digunakan dalam roda gigi gearbox Mercedes-Benz

Plastik kinerja tinggi seperti Polyetheretherketone (PEEK) menawarkan banyak peluang berguna untuk peningkatan gigi. Peek Gears digunakan untuk pertama kalinya di gearbox Mercedes-Benz.

Roda gigi penyeimbang massa yang terbuat dari Vestakeep 5000 g adalah roda gigi plastik pertama yang digunakan dalam transmisi Mercedes-Benz. Itu menggantikan gigi metal yang sebelumnya digunakan

Roda gigi plastik secara bertahap menggantikan roda gigi logam tradisional dalam berbagai aplikasi teknis karena lebih ringan, lebih tenang, memiliki sifat kering yang baik, memiliki gesekan dan keausan rendah, dan dapat diproduksi secara efisien. Produk yang terbuat dari plastik berkinerja tinggi seperti Polyetheretherketone (PEEK) umumnya lebih stabil secara mekanis, termal dan kimia daripada roda gigi yang terbuat dari plastik rekayasa dan dengan demikian memungkinkan nilai batas beban yang diperluas. Prasyarat penting untuk ini adalah penilaian kesesuaian dan desain komponen yang sesuai untuk jenis plastik.

Pada tahun 2018, Pusat Kompetensi Tribologi didirikan di Darmstadt, Jerman, untuk pengembangan plastik kinerja tinggi untuk produksi komponen yang mengalami tekanan gesekan, seperti: Peek, Polyamide 12 (PA12) dan Polyimide (PI). Selain metode konvensional seperti tes pin-on-disk dan ball-on-disk (melalui traktor mini), mereka memasang jenis rig uji baru (Gbr. 1).

Gambar 1: Pusat Kompetensi Tribologi di Darmstadt, Jerman, telah memasang rig uji gear untuk menguji gigi plastik: memungkinkan desain gigi dengan menentukan nilai karakteristik khusus komponen

Uji bangku untuk evaluasi gigi plastik

Perilaku gesekan dan keausan roda gigi kompleks dan tergantung pada tekanan lokal spesifik yang bersentuhan dengan pinion baja dan kondisi lingkungan selama operasi. Sampai saat ini, tidak ada tes model seperti tes pin-on-disc maupun kombinasi tradisional tes mekanis statis dan dinamis pada spesimen standar telah mampu mengevaluasi perilaku roda gigi plastik yang memadai karena kondisi meshing khusus roda gigi. Sebaliknya, nilai karakteristik khusus komponen untuk desain dapat ditentukan pada roda gigi plastik dalam uji komponen pada rig uji gigi baru. Gesekan dinamis dan beban bergantian mekanis diterapkan melalui pinion yang digerakkan logam ke gigi gir plastik di bawah beban torsi yang ditentukan, kecepatan dan kondisi suhu. Gear plastik dilumasi dengan oli atau minyak dll. Dapat dibandingkan dengan roda gigi plastik kering.



Tes dilakukan sesuai dengan standar VDI 2736-4 Jerman ("Roda gigi termoplastik: penentuan karakteristik kapasitas beban gigi") untuk menentukan kapasitas beban gigi dan koefisien keausan set beban yang berbeda. Hasil ini digunakan sebagai data mentah dalam program simulasi desain gigi profesional untuk membantu pelanggan mengoptimalkan desain. Pengujian biasanya berlanjut sampai gigi gagal karena keausan sayap atau fraktur akar gigi. Suhu akar gigi mempengaruhi variasi beban yang dapat ditahan, sehingga dapat diukur dan dikendalikan dengan sensor inframerah (IR) pada tegakan uji yang ada.

Sifat mekanik yang meyakinkan dan ketahanan kimia dari mengintip

Saat mengembangkan polimer berkinerja tinggi untuk roda gigi, berbagai persyaratan mekanik, termal dan tribologis harus diselaraskan sebanyak mungkin sesuai dengan tekanan yang terlibat. Modifikasi materi tertentu dapat mempengaruhi kinerja gigi. Misalnya, aditif yang kadang-kadang digunakan untuk meningkatkan sifat anti-pakaian atau mengurangi gesekan dapat secara negatif mempengaruhi perilaku mekanik dinamis dari suatu gigi (tergantung pada karakteristik partikel dan adhesi pada matriks plastik) jika mereka menjadi sumber cacat atau retak kemungkinan retak ).

Dibandingkan dengan plastik rekayasa seperti polyoxymethylene (POM), PA6 dan PA66, peek plastik berkinerja tinggi memiliki banyak keunggulan ketika digunakan sebagai bahan roda gigi. Secara khusus, ia juga dapat mentransfer beban tinggi pada suhu tinggi. Karena penyerapan airnya yang dapat diabaikan dan penyusutan rendah dan pasca-drinkage, bagian yang dicetak secara stabil secara dimensi, dan berdasarkan pada struktur molekul bahan termoplastik, ia juga sangat tahan kimia. Sifat -sifat ini sangat penting ketika roda gigi dilumasi dengan oli motor atau cairan transmisi, yang merupakan lingkungan korosif untuk banyak plastik.

Penyimpanan dalam minyak tetap tidak berubah

Mengambil laju perpanjangan setelah penyimpanan kontak penuh dalam oli roda gigi sebagai contoh (Gambar 2), kita dapat melihat bahwa mengintip (merek: evonik vestakeep 4000 g) lebih baik daripada polifthalamide (PPA, merek: vestamid htplus, memenangkan model yang lebih tahan lama) adalah poliamida aromatik sebagian dengan stabilitas suhu tinggi. Perpanjangan pada hasil Peek tidak berubah, tetapi perpanjangan saat istirahat PPA menurun secara signifikan setelah penyimpanan selama 500 jam. Karakteristik rapuh dari Peek tercermin dalam perpanjangan pada hasil, sementara PPA tercermin dalam perpanjangan saat istirahat karena kurangnya perpanjangan pada hasil. Tes kekuatan dampak tambahan lebih lanjut menunjukkan perilaku embrittlement mekanisnya.

Gambar 2: Hasil perpanjangan mengintip dan perpanjangan PPA setelah penyimpanan kontak penuh dalam oli roda gigi pada 150 ° C: perpanjangan PPA berkurang secara substansial dalam waktu singkat, sementara perpanjangan laju mengintip tetap sama.

Dibandingkan dengan plastik teknik lainnya, stabilitas mekanik dan termal Peek yang sangat tinggi telah membuatnya berhasil dalam aplikasi gigi. Ini diilustrasikan dengan menguji roda gigi yang terbuat dari molekul tinggi yang mengintip di bawah kondisi kering dan melukiskan oli pada 80 ° C dan 130 ° C, masing-masing, menggunakan rig uji yang dijelaskan (Gbr. 3). Gigi plastik digerakkan pada 650rpm dengan pinion dengan kekerasan permukaan dan kekasaran tertentu. Hasilnya adalah bahwa Peek yang dilumasi minyak dapat mengirimkan beban yang sangat tinggi selama umur layanan yang sangat panjang. Dalam kondisi berjalan kering, roda gigi biasanya gagal karena keausan sayap, sementara dalam kondisi yang dilumasi oli, roda gigi biasanya gagal karena fraktur akar yang diinduksi kelelahan.

Gambar 3: Pengujian mekanis roda gigi yang terbuat dari vestakeep 5000 g: gigi pengintip yang dilumasi oli dapat mengirimkan beban yang lebih tinggi selama beberapa siklus

Kurangi gesekan dengan mengintip

Keuntungan tambahan dari Peek termasuk sifat tribologis dan keausan yang sangat baik, terutama keausan rendah dan koefisien gesekan. Yang terakhir memastikan penghematan energi apakah berjalan kering atau dilumasi. Ini dikonfirmasi dalam percobaan lain (Gbr. 4). Koefisien gesekan kombinasi baja-baja dan baja mengintip dalam uji ball-on-disk dalam oli engine pada 23 ° C dan 130 ° C dengan melewati bola baja dengan jari-jari 9,5 mm dan cakram baja dan disk lingkaran mengintip adalah dipelajari. Selama percobaan, bola baja dimuat dengan 30N dan dioperasikan dengan rasio slide-roll 25%, yang dapat digunakan untuk menguji gerakan slide-roll dari dua kombinasi material.

Gbr. 4: Koefisien gesekan kombinasi baja baja dan baja mengintip dalam oli motor: koefisien secara signifikan lebih rendah dengan penggunaan vestakeep plastik berkinerja tinggi 5000 g

Kurva Stribeck yang disebut menunjukkan bahwa penggunaan kombinasi baja mengintip dalam sistem yang dilumasi minyak memungkinkan solusi yang sangat hemat energi. Koefisien gesekan kombinasi baja baja ditingkatkan menjadi asli 4-7 kali. Ini dapat dijelaskan dengan perilaku viskoelastik dari Peek dan tekanan Hertzian yang lebih rendah di antara permukaan kontak.

Perilaku viskoelastik dan efek redaman yang baik dari Peek juga merupakan alasan untuk karakteristik kebisingan yang menyenangkan. Dengan penghapusan kebisingan mesin pembakaran internal, transmisi diam menjadi semakin penting, terutama untuk kendaraan listrik. Dalam unit gear heliks yang dilumasi dengan minyak, kombinasi baja mengintip secara signifikan mengurangi kebisingan udara, dalam beberapa kasus lebih dari 10dB (Gbr. 5). Pengukuran dilakukan di Platform Kerjasama Teknologi Drive Industri dan Otomotif (IFA) di Fakultas Teknik Mesin di Ruhr-University Bochum, Jerman.

Gambar 5: Pengukuran kebisingan di udara dari kombinasi baja mengintip dan baja yang dilumasi dengan minyak dalam unit roda gigi heliks pada 3000 rpm: dengan memanfaatkan Peek, tingkat kebisingan bahkan berkurang lebih dari 10 dB dalam beberapa kasus

Mercedes-Benz: Plastik, bukan logam

Keuntungan yang dijelaskan di atas memungkinkan aplikasi seri roda gigi mengintip dalam transmisi penyeimbang massal dari Mercedes-Benz (gambar header). Ini adalah gigi plastik Peek pertama yang digunakan dalam aplikasi mesin yang menantang ini, menggantikan gigi logam yang sebelumnya berdedikasi. Setelah serangkaian tes dan evaluasi oleh mitra manufaktur, Peek siap digunakan di lingkungan yang keras ini. Roda gigi diproduksi dengan cetakan injeksi, yang hemat biaya dan tepat, dan tidak memerlukan pemrosesan pasca yang luas seperti yang sebelumnya terjadi pada logam. Selain itu, momen massa inersia yang lebih rendah selama mengemudi menghemat energi dan memungkinkan perilaku berlari yang lancar dan noise rendah.

Ringkasan dan Outlook

Dari rekayasa otomotif tradisional hingga robotika hingga drone, aplikasi potensial untuk roda gigi plastik sangat beragam. Plastik kinerja tinggi seperti Peek memperluas penggunaan roda gigi plastik dalam transmisi ke torsi, kecepatan, dan rentang suhu yang lebih tinggi. Untuk mencapai hal ini, mereka harus dirancang dengan mempertimbangkan plastik sehingga dapat digunakan pada perangkat yang lebih kecil, lebih ringan dan lebih hemat energi. Properti yang sangat baik ini akan mempromosikan penerapan roda gigi mengintip pada kendaraan listrik dan lebih lanjut mengganti gigi logam. Pencetakan 3D akan membantu dalam kasus ini. Ini juga akan membuka kemungkinan aplikasi baru. Penerapan solusi yang lebih hibrida dan integrasi fungsi tambahan seperti saluran pendinginan dan pelumasan juga membawa lebih banyak opsi.

Secara keseluruhan, teknologi cetakan injeksi multi-komponen yang kompleks membawa kebebasan desain yang sangat besar untuk desain gigi. Hal ini memungkinkan untuk menggunakan produk yang terbuat dari plastik yang dioptimalkan keausan di area sisi gigi, plastik yang dimodifikasi kekerasan di area akar gigi, logam atau plastik yang diperkuat serat yang sangat tertekan di area di sekitar puncak beban, dll. Mereka memungkinkan biaya -Produksi yang efektif dan tepat, misalnya melalui cetakan putar. Selain itu, produk material pintar berbasis mengintip memungkinkan desain sistem tribologis tanpa pelumas eksternal dengan cara yang hemat energi dan hemat material (melalui penguatan dan aditif).