Peek แทนที่โลหะและใช้ครั้งแรกในเกียร์เกียร์ Mercedes-Benz Gears

Peek แทนที่โลหะและใช้ครั้งแรกในเกียร์เกียร์ Mercedes-Benz Gears

พลาสติกประสิทธิภาพสูงเช่น Polyetheretherketone (PEEK) เสนอโอกาสที่เป็นประโยชน์มากมายสำหรับการปรับปรุงเกียร์ Peek Gears ใช้เป็นครั้งแรกในเกียร์ Mercedes-Benz

เกียร์มวลชนที่ทำจาก Vestakeep 5000 กรัมเป็นเกียร์พลาสติกแรกที่ใช้ในการส่งสัญญาณเมอร์เซเดส-เบนซ์ แทนที่เกียร์โลหะที่ใช้ก่อนหน้านี้

เกียร์พลาสติกจะค่อยๆเปลี่ยนเกียร์โลหะแบบดั้งเดิมในการใช้งานทางเทคนิคจำนวนมากเนื่องจากมีน้ำหนักเบากว่าเงียบกว่ามีคุณสมบัติที่ทำงานแห้งได้ดีมีแรงเสียดทานและการสึกหรอต่ำและสามารถผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากพลาสติกประสิทธิภาพสูงเช่น polyetheretherketone (PEEK) โดยทั่วไปจะมีความเสถียรทางกลไกทางกลไกความร้อนและทางเคมีมากกว่าเกียร์ที่ทำจากพลาสติกวิศวกรรมและทำให้ค่าขีด จำกัด โหลดเพิ่มเติม ข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับการประเมินความสอดคล้องและการออกแบบส่วนประกอบที่เหมาะสมสำหรับประเภทของพลาสติก

ในปีพ. ศ. 2561 ศูนย์ความสามารถของ Tribology ก่อตั้งขึ้นใน Darmstadt ประเทศเยอรมนีเพื่อการพัฒนาพลาสติกประสิทธิภาพสูงสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่อยู่ภายใต้ความเครียดที่เกิดจากแรงเสียดทานเช่น: Peek, Polyamide 12 (PA12) และ Polyimide (PI) นอกเหนือจากวิธีการทั่วไปเช่นการทดสอบ pin-on-disk และ ball-on-disk (ผ่านรถแทรกเตอร์ขนาดเล็ก) พวกเขาติดตั้งแท่นทดสอบประเภทใหม่ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ศูนย์ความสามารถของ Tribology ใน Darmstadt ประเทศเยอรมนีได้ติดตั้งอุปกรณ์ทดสอบเกียร์สำหรับการทดสอบเกียร์พลาสติก: ช่วยให้การออกแบบเกียร์โดยการกำหนดค่าคุณสมบัติเฉพาะส่วนประกอบ

บัลลังก์ทดสอบสำหรับการประเมินเกียร์พลาสติก

พฤติกรรมการเสียดสีและการสึกหรอของเกียร์นั้นซับซ้อนและขึ้นอยู่กับความเครียดเฉพาะในท้องถิ่นเมื่อสัมผัสกับเฟืองเหล็กและสภาพแวดล้อมในระหว่างการทำงาน จนถึงปัจจุบันการทดสอบแบบจำลองทั้งแบบจำลองเช่นการทดสอบแบบพินบนดิสก์หรือการรวมกันแบบดั้งเดิมของการทดสอบเชิงกลแบบคงที่และแบบไดนามิกในตัวอย่างมาตรฐานสามารถประเมินพฤติกรรมของเกียร์พลาสติกได้อย่างเพียงพอเนื่องจากเงื่อนไขพิเศษของเกียร์ แต่ค่าคุณสมบัติเฉพาะส่วนประกอบสำหรับการออกแบบสามารถกำหนดได้บนเฟืองพลาสติกในการทดสอบส่วนประกอบบนแท่นทดสอบเกียร์ใหม่ แรงเสียดทานแบบไดนามิกและโหลดแบบสลับเครื่องจักรกลถูกนำไปใช้ผ่านเฟืองที่ขับเคลื่อนด้วยโลหะไปยังฟันเกียร์พลาสติกภายใต้ภาระแรงบิดความเร็วและอุณหภูมิที่กำหนด เกียร์พลาสติกหล่อลื่นด้วยน้ำมันหรือจาระบี ฯลฯ สามารถนำมาเปรียบเทียบกับเกียร์พลาสติกแบบแห้ง



การทดสอบจะดำเนินการตามมาตรฐาน VDI ของเยอรมัน 2736-4 ("เกียร์เทอร์โมพลาสติก: การกำหนดลักษณะความสามารถในการโหลดเกียร์") เพื่อกำหนดความสามารถในการโหลดฟันและค่าสัมประสิทธิ์การสึกหรอของชุดโหลดที่แตกต่างกัน ผลลัพธ์เหล่านี้ใช้เป็นข้อมูลดิบในโปรแกรมจำลองการออกแบบเกียร์มืออาชีพเพื่อช่วยให้ลูกค้าปรับการออกแบบให้เหมาะสม โดยทั่วไปการทดสอบจะดำเนินต่อไปจนกว่าเกียร์จะล้มเหลวเนื่องจากการสึกหรอของปีกหรือการแตกหักของรากฟัน อุณหภูมิรากของฟันมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดที่สามารถทนได้ดังนั้นจึงสามารถวัดและควบคุมด้วยเซ็นเซอร์อินฟราเรด (IR) บนแท่นทดสอบที่มีอยู่

คุณสมบัติเชิงกลที่น่าเชื่อถือและความต้านทานทางเคมีของ Peek

เมื่อพัฒนาโพลีเมอร์ประสิทธิภาพสูงสำหรับเกียร์ความต้องการทางกลไกความร้อนและ tribological ที่แตกต่างกันควรจะสอดคล้องกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามความเครียดที่เกี่ยวข้อง การปรับเปลี่ยนวัสดุบางอย่างอาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของเกียร์ ตัวอย่างเช่นสารเติมแต่งที่บางครั้งใช้ในการปรับปรุงคุณสมบัติการต่อต้านการสวมใส่หรือลดแรงเสียดทานอาจส่งผลเสียต่อพฤติกรรมเชิงกลแบบไดนามิกของเกียร์ (ขึ้นอยู่กับลักษณะของอนุภาคและการยึดเกาะกับเมทริกซ์พลาสติก) หากพวกเขากลายเป็นแหล่งที่มาของข้อบกพร่องหรือความเป็นไปได้รอยแตก ).

เมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกวิศวกรรมเช่น Polyoxymethylene (POM), PA6 และ PA66, พลาสติกประสิทธิภาพสูงมีข้อดีมากมายเมื่อใช้เป็นวัสดุเกียร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันยังสามารถถ่ายโอนโหลดสูงที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากการดูดซับน้ำเล็กน้อยและการหดตัวต่ำและการกระแทกหลังการขึ้นรูปชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปมีความเสถียรในมิติและขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุเทอร์โมพลาสติกจึงมีความทนทานทางเคมีอย่างมาก คุณสมบัติเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อเกียร์หล่อลื่นด้วยน้ำมันเครื่องหรือของเหลวเกียร์ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสำหรับพลาสติกจำนวนมาก

การจัดเก็บน้ำมันยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

การใช้อัตราการยืดตัวหลังจากการจัดเก็บข้อมูลการติดต่อเต็มรูปแบบในน้ำมันเกียร์เป็นตัวอย่าง (รูปที่ 2) เราจะเห็นว่า Peek (แบรนด์: Evonik Vestakeep 4000 g) ดีกว่า polyphthalamide (PPA แบรนด์: Vestamid HTPlus ชนะรุ่นที่ทนทานกว่า) เป็นโพลีอะไมด์ที่มีกลิ่นหอมบางส่วนที่มีความเสถียรของอุณหภูมิสูง การยืดตัวที่ผลผลิตของ Peek ไม่เปลี่ยนแปลง แต่การยืดตัวของการหยุดพักของ PPA ลดลงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากการจัดเก็บเป็นเวลา 500 ชั่วโมง ลักษณะที่เปราะบางของ PEEK สะท้อนให้เห็นในการยืดตัวที่ผลผลิตในขณะที่ PPA สะท้อนให้เห็นในการยืดตัวที่แตกเนื่องจากการขาดการยืดตัวที่ผลผลิต การทดสอบความแข็งแรงของแรงกระแทกเพิ่มเติมแสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมการใช้กลไกเชิงกล

รูปที่ 2: ให้การยืดตัวของ PEEK และการยืดตัวของ PPA หลังจากที่เก็บการติดต่อเต็มรูปแบบในน้ำมันเกียร์ที่ 150 ° C: การยืดตัวของ PPA ลดลงอย่างมากในช่วงเวลาสั้น ๆ ในขณะที่การยืดตัวของอัตราการมองยังคงเหมือนเดิม

เมื่อเทียบกับพลาสติกวิศวกรรมอื่น ๆ ความเสถียรทางกลและความร้อนที่สูงมากของ Peek ทำให้มันประสบความสำเร็จ ในการใช้งานเกียร์ นี่คือภาพประกอบโดยการทดสอบเกียร์ที่ทำจากน้ำหนักโมเลกุลสูงที่ดูได้ภายใต้สภาวะแห้งและหล่อลื่นน้ำมันที่ 80 ° C และ 130 ° C ตามลำดับโดยใช้แท่นทดสอบที่อธิบายไว้ (รูปที่ 3) เกียร์พลาสติกถูกขับเคลื่อนที่ 650 รอบต่อนาทีโดยปีกนกที่มีความแข็งและความขรุขระของพื้นผิวเฉพาะ ผลที่ได้คือ PEEK ที่หล่อลื่นน้ำมันสามารถส่งน้ำหนักได้สูงมากตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนานมาก ภายใต้สภาวะที่แห้งแล้งโดยทั่วไปแล้วเกียร์จะล้มเหลวเนื่องจากการสึกหรอด้านข้างในขณะที่อยู่ภายใต้สภาวะหล่อลื่นน้ำมันโดยทั่วไปแล้วเกียร์จะล้มเหลวเนื่องจากการแตกหักของรากที่เกิดจากความเมื่อยล้า

รูปที่ 3: การทดสอบเชิงกลของเกียร์ที่ทำจาก Vestakeep 5000 กรัม: เกียร์ PEEK ที่หล่อลื่นน้ำมันสามารถส่งโหลดที่สูงขึ้นได้หลายรอบ

ลดแรงเสียดทานด้วยการมองดู

ข้อได้เปรียบเพิ่มเติมของ PEEK รวมถึงคุณสมบัติของ tribological และการสึกหรอที่ยอดเยี่ยมโดยเฉพาะอย่างยิ่งการสึกหรอต่ำและค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน หลังรับรองการประหยัดพลังงานไม่ว่าจะแห้งหรือหล่อลื่น สิ่งนี้ได้รับการยืนยันในการทดลองอื่น (รูปที่ 4) ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการผสมเหล็กเหล็กและสตีลแอบดูในการทดสอบบอล-บนดิสก์ในน้ำมันเครื่องที่ 23 ° C และ 130 ° C โดยผ่านลูกเหล็กที่มีรัศมี 9.5 มม. และแผ่นเหล็ก ศึกษา ในระหว่างการทดลองลูกบอลเหล็กนั้นเต็มไปด้วย 30N และดำเนินการด้วยอัตราส่วนสไลด์ม้วน 25%ซึ่งสามารถใช้ในการทดสอบการเคลื่อนที่แบบสไลด์ม้วนของการรวมกันของวัสดุสองชุด

รูปที่ 4: ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของสตีลเหล็กและการผสมผสานของสตีลในน้ำมันมอเตอร์: ค่าสัมประสิทธิ์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อใช้พลาสติกประสิทธิภาพสูง 5000 กรัม

เส้นโค้ง Stribeck ที่เรียกว่าแสดงให้เห็นว่าการใช้ชุดผสมผสานแบบ PEEK ในระบบหล่อลื่นน้ำมันช่วยให้สามารถแก้ปัญหาประหยัดพลังงานได้อย่างมาก ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการรวมกันของเหล็กเหล็กจะเพิ่มขึ้นเป็น 4-7 ครั้งดั้งเดิม สิ่งนี้สามารถอธิบายได้โดยพฤติกรรม viscoelastic ของ PEEK และความดัน Hertzian ที่ลดลงระหว่างพื้นผิวสัมผัส

พฤติกรรม viscoelastic และเอฟเฟกต์การหน่วงที่ดีของการมองดูก็เป็นเหตุผลที่มีลักษณะเสียงรบกวนที่น่าพอใจ ด้วยการกำจัดเสียงของเครื่องยนต์สันดาปภายในการส่งสัญญาณเงียบจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า ในชุดเกียร์ขดลวดแบบหล่อลื่นจาระบีการรวมกันของสตีล PEEK จะช่วยลดเสียงรบกวนทางอากาศอย่างมีนัยสำคัญในบางกรณีมากกว่า 10dB (รูปที่ 5) การวัดได้ดำเนินการที่แพลตฟอร์มความร่วมมือด้านเทคโนโลยีอุตสาหกรรมและยานยนต์ไดรฟ์ (IFA) ที่คณะวิศวกรรมเครื่องกลที่ Ruhr-University Bochum ประเทศเยอรมนี

รูปที่ 5: การวัดเสียงรบกวนทางอากาศของการผสมผสานแบบสตีลและเหล็กกล้าเหล็กและเหล็กกล้าแบบผสมจาระบีในหน่วยเกียร์แบบขด

เมอร์เซเดส-เบนซ์: พลาสติกแทนโลหะ

ข้อดีที่อธิบายไว้ข้างต้นอนุญาตให้ใช้ชุดเกียร์ PEEK ในการส่งสัญญาณมวลชนจากเมอร์เซเดส-เบนซ์ (ภาพส่วนหัว) นี่เป็นอุปกรณ์พลาสติก Peek แรกที่ใช้ในแอปพลิเคชันเครื่องยนต์ที่ท้าทายนี้แทนที่เกียร์โลหะเฉพาะก่อนหน้านี้ หลังจากการทดสอบและการประเมินผลหลายชุดโดยพันธมิตรการผลิต Peek พร้อมสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงนี้ เกียร์นั้นผลิตโดยการฉีดขึ้นรูปซึ่งประหยัดค่าใช้จ่ายและแม่นยำและไม่จำเป็นต้องมีการประมวลผลหลังการประมวลผลอย่างกว้างขวางเหมือนก่อนหน้านี้กับโลหะ นอกจากนี้ช่วงเวลาที่ต่ำกว่าของความเฉื่อยในระหว่างการขับขี่จะช่วยประหยัดพลังงานและช่วยให้การทำงานที่ราบรื่นและพฤติกรรมเสียงรบกวนต่ำ

สรุปและมุมมอง

ตั้งแต่วิศวกรรมยานยนต์แบบดั้งเดิมไปจนถึงหุ่นยนต์ไปจนถึงโดรนการใช้งานที่มีศักยภาพสำหรับอุปกรณ์พลาสติกมีความหลากหลายอย่างมาก พลาสติกประสิทธิภาพสูงเช่น PEEK ขยายการใช้เกียร์พลาสติกในการส่งสัญญาณไปยังช่วงแรงบิดความเร็วและอุณหภูมิที่สูงขึ้น เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้พวกเขาจะต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงพลาสติกเพื่อให้สามารถใช้ในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลงเบาขึ้นและประหยัดพลังงานมากขึ้น คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้จะส่งเสริมการประยุกต์ใช้เกียร์ PEEK ในยานพาหนะไฟฟ้าและเปลี่ยนเกียร์โลหะเพิ่มเติม การพิมพ์ 3 มิติจะช่วยในกรณีนี้ นอกจากนี้ยังจะเปิดความเป็นไปได้ของแอปพลิเคชันใหม่ การประยุกต์ใช้โซลูชันไฮบริดมากขึ้นและการรวมฟังก์ชั่นเพิ่มเติมเช่นช่องระบายความร้อนและการหล่อลื่นยังนำตัวเลือกมากขึ้น

โดยรวมแล้วเทคโนโลยีการขึ้นรูปหลายองค์ประกอบที่ซับซ้อนนำมาซึ่งการออกแบบอย่างมหาศาลในการออกแบบเกียร์ สิ่งนี้ทำให้สามารถใช้ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากพลาสติกที่สวมใส่ได้ดีในพื้นที่ปีกฟันพลาสติกที่ปรับความแข็งในพื้นที่รากของฟันโลหะหรือพลาสติกเสริมเส้นใยที่มีความเครียดสูงในพื้นที่รอบ ๆ จุดสูงสุดของโหลด ฯลฯ -การผลิตที่มีประสิทธิภาพและแม่นยำเช่นผ่านแม่พิมพ์โรตารี่ นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์วัสดุอัจฉริยะที่ใช้ PEEK ช่วยให้สามารถออกแบบระบบ tribological ได้โดยไม่ต้องใช้น้ำมันหล่อลื่นภายนอกในลักษณะประหยัดพลังงานและการประหยัดวัสดุ (ผ่านการเสริมแรงและสารเติมแต่ง)