Peek ersetzt Metall und wird zunächst in Mercedes-Benz-Getriebegrad verwendet

Peek ersetzt Metall und wird zunächst in Mercedes-Benz-Getriebegrad verwendet

Hochleistungskunststoffe wie Polyetheretherketon (Peek) bieten viele nützliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Ausrüstung. Peek-Zahnräder werden zum ersten Mal in Mercedes-Benz-Getriebe verwendet.

Massenbalancer-Zahnräder aus Vestakeep 5000 g sind die ersten Plastikräder, die bei Mercedes-Benz-Getriebe verwendet werden. Es ersetzt das zuvor verwendete Metallgetriebe

Plastik Zahnräder ersetzen nach und nach herkömmliche Metallgeräte in zahlreichen technischen Anwendungen, da sie leichter, ruhiger sind, gute Trockeneigenschaften aufweisen, geringe Reibung und Verschleiß haben und effizient hergestellt werden können. Produkte aus leistungsstarken Kunststoffen wie Polyetheretherketon (Peek) sind im Allgemeinen mechanisch, thermisch und chemisch stabiler als Ausrüstung aus technischen Kunststoffen und ermöglichen somit erweiterte Lastgrenzwerte. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die Konformitätsbewertung und das geeignete Komponentendesign für die Art des Kunststoffs.

Im Jahr 2018 wurde in Darmstadt ein Kompetenzzentrum für Tribologie für die Entwicklung leistungsstarker Kunststoffe für die Herstellung von Komponenten gegründet, die Reibungsstress wie: Peek, Polyamid 12 (PA12) und Polyimid (PI) unterliegen. Zusätzlich zu herkömmlichen Methoden wie Pin-on-Disk- und Ball-on-Disk-Tests (über Mini-Traktoren) installierten sie eine neue Art von Testgeräte (Abb. 1).

Abbildung 1: Das Tribology Competence Center in Darmstadt, Deutschland, hat ein Ausrüstungs-Test-Rig zum Testen von Kunststoff Zahnrädern installiert: Es ermöglicht das Ausrüstungsdesign durch Bestimmung der komponentenspezifischen Merkmalswerte

Testbank zur Bewertung von Plastik Zahnrädern

Das Reibung und das Verschleißverhalten von Zahnrädern sind komplex und hängen von den spezifischen lokalen Spannungen ab, die während des Betriebs in Kontakt mit dem Stahlritzel und den Umgebungsbedingungen sind. Bisher konnten weder Modelltests wie Pin-on-DISC-Tests noch herkömmliche Kombinationen statischer und dynamischer mechanischer Tests an Standardproben das Verhalten von in Betrieb befindlichen Kunststoff Zahnrädern aufgrund der speziellen Meshingbedingungen der Zahnräder angemessen bewerten. Stattdessen können Komponentenspezifische charakteristische Werte für das Design an Kunststoff Zahnrädern in Komponententests auf dem neuen Zahnradtest-Rig ermittelt werden. Dynamische Reibung und mechanische Wechsellasten werden durch den metallgetriebenen Ritzel auf die Kunststoffzähne unter definierter Drehmomentlast, Geschwindigkeit und Temperaturbedingungen aufgetragen. Mit Öl oder Fett usw. geschmiertes Plastikgetriebe kann mit trockenen Plastik Zahnrädern verglichen werden.



Der Test erfolgt gemäß dem deutschen Standard-VDI 2736-4-Standard ("Thermoplastische Zahnräder: Bestimmung der Getriebelastkapazitätseigenschaften"), um die Zahnlastkapazität und den Verschleißkoeffizienten verschiedener Lastsätze zu bestimmen. Diese Ergebnisse werden als Rohdaten in Programmen für professionelle Ausrüstungsdesign -Simulation verwendet, um Kunden die Optimierung von Designs zu unterstützen. Die Tests werden typischerweise fortgesetzt, bis das Zahnrad aufgrund von Flankenverschleiß oder Zahnwurzelfraktur ausfällt. Die Zahnwurzeltemperatur beeinflusst die Lastvariation, die sie standhalten kann, sodass sie mit Infrarot -Sensoren (IR) auf vorhandenen Testständen gemessen und gesteuert werden kann.

Überzeugende mechanische Eigenschaften und chemische Resistenz des Peek

Bei der Entwicklung von Hochleistungspolymeren für Zahnräder sollten die verschiedenen mechanischen, thermischen und tribologischen Anforderungen so weit wie möglich entsprechend den beteiligten Belastungen harmonisiert werden. Bestimmte Materialänderungen können sich nachteilig auf die Zahnradleistung auswirken. Zum Beispiel können Additive, die manchmal zur Verbesserung der Anti-Wörchen-Eigenschaften oder zur Verringerung der Reibung verwendet werden ).

Im Vergleich zu technischen Kunststoffen wie Polyoxymethylen (POM), PA6 und PA66 hat der Hochleistungs-Kunststoff-Peek bei Verwendung als Getriebe viele Vorteile. Insbesondere kann es auch hohe Lasten bei hohen Temperaturen übertragen. Aufgrund seiner vernachlässigbaren Wasserabsorption und der niedrigen Schrumpfung und nach der Verringerung sind geformte Teile dimensional stabil und basieren auf der molekularen Struktur thermoplastischer Materialien, sondern auch äußerst chemisch resistent. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, wenn die Zahnräder mit Motoröl oder Getriebeflüssigkeit geschmiert werden, was für viele Kunststoffe eine korrosive Umgebung ist.

Die Lagerung im Öl bleibt unverändert

Nehmen Sie die Dehnungsrate nach dem vollständigen Kontaktspeicher in Getriebeöl als Beispiel (Abbildung 2). Wir können sehen, dass Peek (Marke: Evonik Vestakeep 4000 g) besser ist als Polyphthalamid (PPA, Marke: Vestamid HTPLUS, Gewinnen Sie das dauerhaftere Modell) ist ein teilweise aromatisches Polyamid mit hoher Temperaturstabilität. Die Dehnung bei Peek -Ausbeute änderte sich nicht, aber die Dehnung bei PPA -Bruch nach 500 Stunden nach der Lagerung nahm signifikant ab. Die spröden Merkmale des Peek spiegeln sich in der Dehnung bei der Ertragsdehnung wider, während PPA aufgrund der mangelnden Dehnung bei der Ertrag in der Dehnung bei der Pause widerspiegelt. Zusätzliche Teststärketests demonstrieren weiter sein mechanisches Verspritzungsverhalten.

Abbildung 2: Ergänzung der PPA -Dehnung und Bruchdehnung von PPA nach vollständiger Kontaktspeicherung in Getriebeöl bei 150 ° C: Die Dehnung von PPA nimmt in kurzer Zeit erheblich ab, während die Dehnung der Peek -Rate gleich bleibt.

Im Vergleich zu anderen technischen Kunststoffen hat Peeks extrem hohe mechanische und thermische Stabilität in Ganganwendungen erfolgreich gemacht. Dies wird durch Testen von Zahnrädern aus Duktilen mit hohem Molekulargewicht unter trockenen und ölgeschalteten Bedingungen bei 80 ° C bzw. 130 ° C unter Verwendung des beschriebenen Testgeräts (Abb. 3) veranschaulicht. Das Plastikgetriebe wird von einem Ritzel mit einer bestimmten Oberflächenhärte und Rauheit bei 650 U / min angetrieben. Das Ergebnis ist, dass öl geschriebener Peek über eine extrem lange Lebensdauer extrem hohe Lasten übertragen kann. Unter trockenen Bedingungen scheitern die Zahnräder typischerweise aufgrund von Flankenverschleiß, während unter öl geschriebenen Bedingungen die Zahnräder normalerweise aufgrund einer ermüdungsbedingten Wurzelfraktur versagen.

Abbildung 3: Mechanische Tests von Zahnrädern aus Vestakeep 5000 g: Öl geschmierte Peek-Zahnräder können höhere Lasten über mehrere Zyklen übertragen

Reduzieren Sie die Reibung mit Peek

Zu den zusätzlichen Vorteilen von Peek gehören hervorragende Tribologie- und Verschleißeigenschaften, insbesondere geringe Verschleiß und Reibungskoeffizienten. Letzteres sorgt für Energieeinsparungen, ob trocken oder geschmiert. Dies wurde in einem anderen Experiment bestätigt (Abb. 4). Reibungskoeffizienten von Stahlstahl- und Peek-Stahl-Kombinationen in Kugel-auf-Schleifentests in Motoröl bei 23 ° C und 130 ° C, indem eine Stahlkugel mit einem Radius von 9,5 mm und einer Stahlscheibe und einer Peek-Kreisscheibe bestanden wurde, war studiert. Während des Experiments wurde die Stahlkugel mit 30 n beladen und mit einem Gleitrollverhältnis von 25%betrieben, mit dem die Gleitrollbewegung von zwei Materialkombinationen getestet werden kann.

Abb. 4: Reibungskoeffizienten aus Stahlstahl- und Peek-Stahlkombinationen in Motorölen: Die Koeffizienten sind bei Verwendung der Hochleistungs-Kunststoff-Vestakeep 5000 g signifikant niedriger

Die sogenannte Striberck-Kurve zeigt, dass die Verwendung von PEEK-Stahlkombinationen in ölgeschalteten Systemen extrem energieeffiziente Lösungen ermöglicht. Der Reibungskoeffizient der Stahlstahlkombination wird 4-7 Mal auf das ursprüngliche Mal erhöht. Dies kann durch das viskoelastische Verhalten von Peek und den daraus resultierenden unteren Hertzer Druck zwischen den Kontaktflächen erklärt werden.

Das viskoelastische Verhalten und ein guter Dämpfungseffekt von Peek sind ebenfalls Gründe für die angenehmen Rauscheigenschaften. Mit der Beseitigung von Verbrennungsmotorgeräuschen werden stille Getriebe immer wichtiger, insbesondere für Elektrofahrzeuge. In fett geschmierten Helical-Getriebeeinheiten reduziert die Peek-Stahl-Kombination in einigen Fällen die Luftkanalräusche signifikant um mehr als 10 dB (Abb. 5). Die Messungen wurden an der Fakultät für Maschinenbau in Ruhr-Universität Bochum, Deutschland, auf der Fakultät für Maschinenbau und Maschinenbau der Fakultät für Maschinenbau von Ruhr-Universität durchgeführt.

Abbildung 5: Geräuschmessungen von Luftstöbern und Stahlstahlkombinationen in einer Helical-Getriebeeinheit bei 3000 U / min: Durch die Verwendung von Peek wurde der Geräuschpegel in einigen Fällen sogar um mehr als 10 dB reduziert

Mercedes-Benz: Kunststoff statt Metall

Die oben beschriebenen Vorteile ermöglichen die Serie-Anwendung von Peek-Zahnrädern in Massenbalancer-Übertragungen von Mercedes-Benz (Header-Bild). Dies ist das erste Peek -Plastikgetriebe, das in dieser anspruchsvollen Motoranwendung verwendet wird und zuvor dedizierte Metallgeräte ersetzt. Nach einer Reihe von Tests und Bewertungen durch Fertigungspartner ist Peek für diese harte Umgebung bereit. Die Zahnräder werden durch Injektionsleisten hergestellt, die kostengünstig und präzise sind und keine umfangreiche Nachbearbeitung erfordern, wie dies zuvor bei Metall der Fall war. Darüber hinaus spart das niedrigere Trägheitsmoment während des Fahrens Energie und ermöglicht ein reibungsloses Verhalten von Läufen und niedrigem Rang.

Zusammenfassung und Ausblick

Von der traditionellen Automobiltechnik über Robotik bis hin zu Drohnen sind die potenziellen Anwendungen für Plastikgetriebe äußerst vielfältig. Hochleistungskunststoffe wie Peek erweitern die Verwendung von Plastik Zahnrädern in Getriebe auf höheres Drehmoment, Geschwindigkeit und Temperaturbereiche. Um dies zu erreichen, müssen sie unter Berücksichtigung von Kunststoffen entwickelt werden, damit sie in kleineren, leichteren und energieeffizienten Geräten verwendet werden können. Diese hervorragenden Eigenschaften fördern die Anwendung von Peek -Zahnrädern in Elektrofahrzeugen und ersetzen die Metallgänge weiter. Der 3D -Druck hilft in diesem Fall. Es wird auch neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Die Anwendung von mehr hybriden Lösungen und die Integration zusätzlicher Funktionen wie Kühl- und Schmierkanäle bietet auch mehr Optionen.

Insgesamt bringt komplexe Mehrkomponenten-Injektionsformtechnologie eine enorme Designfreiheit für das Ausrüstungsdesign. Dies ermöglicht die Verwendung von Produkten aus Verschleißkasten im Zahnflanke, im Zahnwurzelbereich, im Metall oder mit stark gestressten faserverstärkten Kunststoffen im Bereich um die Lastspitze usw., sie ermöglichen die Kosten, die die Kosten ermöglichen. -Effektiv und präzise Produktion, z. B. über Rotationsformen. Darüber hinaus ermöglichen Peek-basierte intelligente Materialprodukte die Gestaltung von Tribologischen Systemen ohne externe Schmiermittel in energieeffizienter und materieller Weise (durch Verstärkung und Zusatzstoffe).