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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-08-23 22:29
在眾多技術(shù)應(yīng)用中，塑料齒輪正在逐漸取代傳統(tǒng)的金屬齒輪，因為它們更輕、更靜音，具有良好的干運轉(zhuǎn)性能，低摩擦低磨損，并且可以高效制造。與工程塑料制成的齒輪相比，由聚醚醚酮（PEEK）等高性能塑料制成的產(chǎn)品通常在機械、熱性能和化學性能方面更加穩(wěn)定，因此能夠擴展負載極限值。其中一個重要的前提是針對塑料種類進行合格評定和合適的部件設(shè)計。
2018年，贏創(chuàng)在德國達姆施塔特市成立了摩擦學能力中心，專門開發(fā)用于生產(chǎn)承受摩擦應(yīng)力的部件的高性能塑料，例如：PEEK、聚酰胺12（PA12）和聚酰亞胺（PI）。除了傳統(tǒng)的方法，例如：銷盤和球盤試驗（通過迷你牽引機），他們還安裝了一個新型試驗臺（圖1）。
圖1：位于德國達姆施塔特市的贏創(chuàng)摩擦學能力中心安裝了一個用于測試塑料齒輪的齒輪試驗臺：它可通過確定部件特定的特征值來進行齒輪設(shè)計 ©贏創(chuàng)
試驗臺用于塑料齒輪的評估
齒輪的摩擦磨損行為很復雜，取決于與鋼制小齒輪接觸的特定局部應(yīng)力和運行時的環(huán)境條件。迄今為止，由于齒輪特殊的嚙合條件，無論是銷盤等模型試驗還是針對標準試樣的傳統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)機械測試組合，都無法對塑料齒輪運行狀態(tài)的行為進行充分評估。相反，用于設(shè)計的部件特定的特征值可以在新型齒輪試驗臺的部件測試中的塑料齒輪上測定。在規(guī)定的扭矩負載、速度和溫度條件下，動態(tài)摩擦和機械交變負載通過金屬從動小齒輪施加到塑料輪齒上。用油或油脂等進行潤滑的塑料齒輪可與干運轉(zhuǎn)的塑料齒輪進行比較。
測試按德國VDI 2736-4標準（“熱塑性齒輪：齒輪負載能力特性的測定”）進行來確定不同負載集合的輪齒負載能力和磨損系數(shù)等結(jié)果。這些結(jié)果在專業(yè)的齒輪設(shè)計模擬程序中被用作原始數(shù)據(jù)來幫助客戶進行優(yōu)化設(shè)計。測試通常會一直進行直到齒輪因齒面磨損或齒根斷裂而失效。齒根溫度會影響其可承受的負載變化，因此可以在現(xiàn)有試驗臺上通過紅外（IR）傳感器對其進行測定和控制。
PEEK的力學性能和耐化學性令人信服
在開發(fā)用于齒輪的高性能聚合物時，應(yīng)根據(jù)所涉應(yīng)力盡可能地協(xié)調(diào)不同的機械、熱性能和摩擦學要求。某些材料改性會對齒輪性能產(chǎn)生不良影響。例如，某些時候用于改善抗磨損性能或減少摩擦的添加劑如果成為了產(chǎn)生缺陷或裂紋的源頭，則可能會對齒輪的動態(tài)力學行為產(chǎn)生負面影響（取決于顆粒特性及其與塑料基體粘合的可能性）。
與聚甲醛（POM）、PA6和PA66等工程塑料相比，高性能塑料PEEK用作齒輪材料具有諸多優(yōu)勢。尤其是，它在高溫環(huán)境下也可以傳遞高負載。由于其吸水率幾乎可以忽略不計，并且收縮率和后收縮率低，因此成型件的尺寸非常穩(wěn)定，并且基于熱塑性材料的分子結(jié)構(gòu)，它還具有極強的耐化學性。當齒輪用機油或變速箱油潤滑時，這對許多塑料來說是一個腐蝕性的環(huán)境，因此上述性能尤為重要。
在油中儲存保持不變
以在齒輪油中全接觸儲存后的伸長率為例（圖2），我們可以看出PEEK（牌號：贏創(chuàng)Vestakeep 4000 G）比聚鄰苯二甲酰胺（PPA，牌號：Vestamid HTplus，贏創(chuàng)老款產(chǎn)品）更為耐用，后者是一種具有高溫穩(wěn)定性的部分芳香族聚酰胺。PEEK的屈服伸長率沒有變化，但PPA的斷裂伸長率在儲存500小時后顯著降低。PEEK的脆化特性體現(xiàn)在屈服伸長率上，而PPA則由于缺少屈服伸長率而體現(xiàn)在斷裂伸長率上。附加的沖擊強度測試更是表明了其機械脆化行為。
圖2：在150°C的溫度條件下在齒輪油中全接觸儲存后PEEK的屈服伸長率和PPA的斷裂伸長率：PPA的伸長率在短時間內(nèi)大幅降低，而PEEK的伸長率保持不變（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）
與其他工程塑料相比，PEEK極高的機械和熱穩(wěn)定性使其在齒輪應(yīng)用中取得了成功。這一點可以通過使用所述試驗臺在干燥條件和機油潤滑條件下分別在80°C和130°C時對由高分子量可延展PEEK制成的齒輪進行測試來說明（圖3）。塑料齒輪由具有特定表面硬度和粗糙度的制小齒輪以650rpm的速度驅(qū)動。其結(jié)果是，油潤滑的PEEK可以在極長的使用壽命期內(nèi)傳輸極高的負載。在干運轉(zhuǎn)條件下，齒輪通常因齒面磨損而失效；而在油潤滑條件下，齒輪通常因疲勞導致齒根斷裂而失效。
圖3：由Vestakeep 5000 G制成的齒輪的機械測試：油潤滑的PEEK齒輪可以在多個周期中傳遞更高的負載（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）
利用PEEK減少摩擦
PEEK的其他優(yōu)勢還包括優(yōu)異的摩擦磨損特性，尤其是低磨損和摩擦系數(shù)。后者可確保無論是干運轉(zhuǎn)還是潤滑條件下都可以節(jié)省能源。這一點在另一個實驗中得到了證實（圖4）。在23°C和130°C的溫度條件下在機油中進行的球盤實驗中，鋼-鋼和PEEK-鋼組合的摩擦系數(shù)通過一個半徑為9.5mm的鋼球以及一個鋼盤和一個PEEK圓盤進行了研究。在實驗過程中，鋼球負載30N并以25%的滑滾比運行，它可用于測試兩種材料組合的滑滾運動。
圖4：鋼-鋼和PEEK-鋼組合在機油中的摩擦系數(shù)：使用了高性能塑料Vestakeep 5000 G之后，該系數(shù)顯著降低（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）
所謂的Stribeck曲線表明，在油潤滑系統(tǒng)中使用PEEK-鋼組合能夠獲得極其節(jié)能的解決方案。無論是在邊界摩擦——接觸面之間幾乎沒有潤滑膜的低速條件下，還是在流體動力范圍內(nèi)——接觸面之間有完整潤滑膜的條件下，鋼-鋼組合的摩擦系數(shù)都提高到了原來的4-7倍。這一點可以通過PEEK的粘彈行為以及由此產(chǎn)生的接觸面之間較低的赫茲壓力進行解釋。
PEEK的粘彈行為和良好的阻尼效果也是其噪聲特性令人舒適的原因。隨著內(nèi)燃機噪音的消除，靜音變速箱變得越來越重要，尤其對電動汽車而言。在油脂潤滑的斜齒輪裝置中，PEEK-鋼組合可大幅降低空傳噪聲，某些情況下甚至降低10dB以上（圖5）。此次測量在德國波鴻魯爾大學機械工程學院工業(yè)和汽車傳動技術(shù)合作平臺（IFA）進行。
圖5：在3000rpm的轉(zhuǎn)速條件下在斜齒輪裝置中對油脂潤滑的PEEK-鋼和鋼-鋼組合進行空傳噪聲測量：通過利用PEEK，噪聲水平在某些情況下甚至降低了10dB以上（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）
梅賽德斯-奔馳：用塑料代替金屬
上文所述的優(yōu)勢使PEEK齒輪得以在梅賽德斯-奔馳的質(zhì)量平衡器變速箱中進行系列應(yīng)用（標題圖）。這是首個用在這個極具挑戰(zhàn)性的發(fā)動機應(yīng)用中的PEEK塑料齒輪，取代了以前專用的金屬齒輪。經(jīng)過制造合作伙伴的一系列測試和評估，PEEK已可用于這種惡劣環(huán)境。齒輪通過注塑成型制造，經(jīng)濟高效而又精確，并且不像以前使用金屬時需要大量的后加工。此外，行駛過程中更低的質(zhì)量慣性矩還可節(jié)省能源，并實現(xiàn)平穩(wěn)運行以及低噪音表現(xiàn)。
總結(jié)與展望
從傳統(tǒng)的汽車工程到機器人再到無人機，塑料齒輪的潛在應(yīng)用非常多樣。PEEK等高性能塑料將塑料齒輪在變速箱中的應(yīng)用擴大到了更高的扭矩、速度和溫度范圍。為了實現(xiàn)這一目標，它們在設(shè)計時必須將塑料考慮在內(nèi)，以便將其應(yīng)用在更小、更輕和更節(jié)能的裝置中。這些優(yōu)良的特性將推動PEEK齒輪在電動汽車中的應(yīng)用并進一步替代金屬齒輪。3D打印在這種情況下將有所助益。它還將帶來新的應(yīng)用可能。更多混合解決方案的應(yīng)用以及冷卻和潤滑通道等附加功能的集成也帶來了更多選擇。
總而言之，復雜的多組分注塑成型技術(shù)為齒輪設(shè)計帶來了巨大的設(shè)計自由度。這樣一來就有可能在齒面區(qū)域使用由磨損優(yōu)化塑料制成的產(chǎn)品、在齒根區(qū)域進行塑料硬度改性并在負載峰值附近區(qū)域使用金屬或高應(yīng)力纖維增強塑料等。它們可以實現(xiàn)經(jīng)濟高效且精確的生產(chǎn)，例如：通過旋轉(zhuǎn)模具。此外，基于PEEK的智能材料產(chǎn)品還能夠以節(jié)能節(jié)材的方式（通過增強和添加）設(shè)計出無外部潤滑劑的摩擦系統(tǒng)。
來源：榮格塑料工業(yè)
