Peek substitui o metal e é usado pela primeira vez em engrenagens de engrenagem Mercedes-Benz

Peek substitui o metal e é usado pela primeira vez em engrenagens de engrenagem Mercedes-Benz

Plásticos de alto desempenho, como a Polyetheretherettone (Peek), oferecem muitas oportunidades úteis para melhorar a engrenagem. As engrenagens de peek são usadas pela primeira vez nas caixas de câmbio Mercedes-Benz.

As engrenagens de balanceador de massa feitas de Vestkeep 5000 g são as primeiras engrenagens de plástico a serem usadas nas transmissões Mercedes-Benz. Ele substitui a engrenagem de metal usada anteriormente

As engrenagens de plástico estão substituindo gradualmente as engrenagens de metal tradicionais em inúmeras aplicações técnicas porque são mais leves e mais silenciosas, têm boas propriedades de corrida a seco, têm baixo atrito e desgaste e podem ser fabricados com eficiência. Os produtos feitos de plásticos de alto desempenho, como a polietherethertonetone (PEEK), são geralmente mais estáveis ​​mecanicamente, termicamente e quimicamente do que as engrenagens feitas de plásticos de engenharia e, portanto, permitem valores de limite de carga estendidos. Um pré -requisito importante para isso é a avaliação de conformidade e o design de componentes adequado para o tipo de plástico.

Em 2018, um Centro de Competência para Tribologia foi fundado em Darmstadt, Alemanha, para o desenvolvimento de plásticos de alto desempenho para a produção de componentes sujeitos a estresse por atrito, como: Peek, Poliamida 12 (PA12) e poliimida (PI). Além de métodos convencionais, como testes de pino em disco e bola-no-disco (via mini tratores), eles instalaram um novo tipo de equipamento de teste (Fig. 1).

Figura 1: O Centro de Competência do Tribologia em Darmstadt, Alemanha, instalou um equipamento de teste de engrenagem para testar engrenagens plásticas: permite o design da engrenagem, determinando valores de característica específicos do componente

Banco de teste para avaliação de engrenagens plásticas

O comportamento de atrito e desgaste das engrenagens é complexo e depende das tensões locais específicas em contato com o pinhão de aço e as condições ambientais durante a operação. Até o momento, nem os testes de modelo, como testes de pino em disco, nem combinações tradicionais de testes mecânicos estáticos e dinâmicos em espécimes padrão foram capazes de avaliar adequadamente o comportamento das engrenagens plásticas em operação devido às condições especiais de malha das engrenagens. Em vez disso, os valores característicos específicos do componente para o design podem ser determinados em engrenagens de plástico em testes de componentes no novo equipamento de teste de engrenagens. O atrito dinâmico e as cargas alternadas mecânicas são aplicadas através do pinhão acionado por metal nos dentes de engrenagem plástica sob carga de torque definida, velocidade e condições de temperatura. As engrenagens de plástico lubrificadas com óleo ou graxa etc. podem ser comparadas às engrenagens plásticas em funcionamento seco.



O teste é realizado de acordo com o padrão alemão VDI 2736-4 ("engrenagens termoplásticas: determinação das características da capacidade de carga da engrenagem") para determinar a capacidade de carga dentária e o coeficiente de desgaste de diferentes conjuntos de carga. Esses resultados são usados ​​como dados brutos em programas profissionais de simulação de design de equipamentos para ajudar os clientes a otimizar os designs. Os testes normalmente continuam até que a engrenagem falhe devido ao desgaste do flanco ou à fratura da raiz dos dentes. A temperatura da raiz do dente afeta a variação da carga que ela pode suportar, para que possa ser medida e controlada com sensores de infravermelho (IR) nos estandes de teste existentes.

Propriedades mecânicas convincentes e resistência química da espiada

Ao desenvolver polímeros de alto desempenho para engrenagens, os diferentes requisitos mecânicos, térmicos e tribológicos devem ser harmonizados o máximo possível de acordo com as tensões envolvidas. Certas modificações de material podem afetar adversamente o desempenho do equipamento. Por exemplo, aditivos que às vezes são usados ​​para melhorar as propriedades anti-vestuário ou reduzir o atrito podem afetar negativamente o comportamento mecânico dinâmico de uma engrenagem (dependendo das características das partículas e sua adesão à matriz plástica) se elas se tornarem a fonte de defeitos ou rachaduras possibilidades ).

Comparado com plásticos de engenharia, como polioximetileno (POM), PA6 e PA66, a espiada de plástico de alto desempenho tem muitas vantagens quando usada como material de engrenagem. Em particular, também pode transferir cargas altas a altas temperaturas. Devido à sua absorção de água insignificante e baixa retração e pós-isca, as partes moldadas são dimensionalmente estáveis ​​e, com base na estrutura molecular dos materiais termoplásticos, também é extremamente resistente quimicamente. Essas propriedades são especialmente importantes quando as engrenagens são lubrificadas com óleo de motor ou fluido de transmissão, o que é um ambiente corrosivo para muitos plásticos.

O armazenamento em petróleo permanece inalterado

Tomando a taxa de alongamento após o armazenamento completo de contato no óleo de engrenagem como exemplo (Figura 2), podemos ver que Peek (marca: Evonik Vestakeep 4000 g) é melhor que a poliftalamida (PPA, marca: Vestamid htplus, ganhe o modelo mais durável) é uma poliamida parcialmente aromática com estabilidade de alta temperatura. O alongamento no rendimento da PEEK não mudou, mas o alongamento no intervalo do PPA diminuiu significativamente após o armazenamento por 500 horas. As características quebradiças da espiada são refletidas no alongamento no rendimento, enquanto o PPA se reflete no alongamento no intervalo devido à falta de alongamento no rendimento. Testes adicionais de força de impacto demonstram ainda mais seu comportamento mecânico de fragilização.

Figura 2: Rendimento de alongamento da espiada e alongamento do PPA após o armazenamento de contato total em óleo de engrenagem a 150 ° C: O alongamento do PPA diminui substancialmente em um curto período de tempo, enquanto o alongamento da taxa de PEEK permanece o mesmo.

Comparado com outros plásticos de engenharia, a estabilidade mecânica e térmica extremamente alta da Peek tornou as aplicações de engrenagens. Isso é ilustrado por testes de engrenagens feitas de espiada ductil de alto peso molecular em condições secas e lubrificadas a óleo a 80 ° C e 130 ° C, respectivamente, usando o equipamento de teste descrito (Fig. 3). A engrenagem plástica é acionada a 650rpm por um pinhão com uma dureza e rugosidade específicas da superfície. O resultado é que a espiada lubrifativa a petróleo pode transmitir cargas extremamente altas ao longo de uma vida útil extremamente longa. Sob condições de corrida a seco, as engrenagens normalmente falham devido ao desgaste do flanco, enquanto sob condições de óleo, as engrenagens normalmente falham devido à fratura da raiz induzida por fadiga.

Figura 3: Teste mecânico de engrenagens feitas de Vestakeep 5000 g: engrenagens de peek lubrificadas a óleo podem transmitir cargas mais altas em vários ciclos

Reduza o atrito com espiada

As vantagens adicionais do PEEK incluem excelentes propriedades tribológicas e de desgaste, especialmente o baixo desgaste e o coeficiente de atrito. O último garante a economia de energia seca ou lubrificada. Isso foi confirmado em outro experimento (Fig. 4). Coeficientes de fricção de combinações de aço de aço e aço de peek em testes de bola sobre disco em óleo do motor a 23 ° C e 130 ° C passando uma bola de aço com um raio de 9,5 mm e um disco de aço e um disco de círculo de peek foi estudado. Durante o experimento, a bola de aço foi carregada com 30N e operada com uma proporção de slide-roll de 25%, que pode ser usada para testar o movimento do slide-roll de duas combinações de materiais.

Fig. 4: Coeficientes de atrito das combinações de aço e aço de aço em óleos de motor: os coeficientes são significativamente mais baixos com o uso do Vestakeep de plástico de alto desempenho 5000 g

A chamada curva Stribeck mostra que o uso de combinações de aço de peek em sistemas de óleo permite soluções extremamente eficientes em termos de energia. O coeficiente de atrito da combinação de aço de aço é aumentado para as 4-7 vezes originais. Isso pode ser explicado pelo comportamento viscoelástico de Peek e pela pressão mais baixa resultante da Hertziana entre as superfícies de contato.

O comportamento viscoelástico e o bom efeito de amortecimento de Peek também são razões para suas agradáveis ​​características de ruído. Com a eliminação do ruído do motor de combustão interna, as transmissões silenciosas estão se tornando cada vez mais importantes, especialmente para veículos elétricos. Nas unidades de engrenagem helicoidal lubrificada por graxa, a combinação de aço de peek reduz significativamente o ruído transportado pelo ar, em alguns casos em mais de 10dB (Fig. 5). As medições foram realizadas na plataforma de cooperação tecnológica de acionamento industrial e automotivo (IFA) na Faculdade de Engenharia Mecânica da Ruhr-University Bochum, Alemanha.

Figura 5: Medições de ruído no ar de combinações de aço e aço de aço de graxa em uma unidade de engrenagem helicoidal a 3000 rpm: Ao utilizar a peek, o nível de ruído foi reduzido em mais de 10 dB em alguns casos

Mercedes-Benz: plástico em vez de metal

As vantagens descritas acima permitem a aplicação em série de engrenagens de peek em transmissões de balanceamento de massa da Mercedes-Benz (imagem do cabeçalho). Esta é a primeira engrenagem plástica de peek usada nesta aplicação desafiadora do motor, substituindo engrenagens de metal dedicadas anteriormente. Após uma série de testes e avaliações por parceiros de fabricação, o Peek está pronto para uso neste ambiente severo. As engrenagens são fabricadas por moldagem por injeção, que é econômica e precisa, e não requer extenso pós-processamento, como era anteriormente o caso do metal. Além disso, o momento de inércia em massa menor durante a condução economiza energia e permite a corrida suave e o comportamento de baixo ruído.

Resumo e Outlook

Da engenharia automotiva tradicional à robótica e aos drones, as aplicações em potencial para engrenagens plásticas são extremamente diversas. Plásticos de alto desempenho, como Peek, expandem o uso de engrenagens plásticas em transmissões para alcance de torque, velocidade e temperatura mais altos. Para conseguir isso, eles devem ser projetados com plásticos em mente para que possam ser usados ​​em dispositivos menores, mais leves e com eficiência energética. Essas excelentes propriedades promoverão a aplicação de engrenagens de peek em veículos elétricos e substituirão ainda mais as engrenagens de metal. A impressão 3D ajudará neste caso. Também abrirá novas possibilidades de aplicação. A aplicação de mais soluções híbridas e a integração de funções adicionais, como canais de resfriamento e lubrificação, também traz mais opções.

Em suma, a tecnologia complexa de moldagem por injeção de componentes múltiplos traz um enorme design de liberdade para o design de engrenagens. Isso possibilita o uso de produtos feitos de plásticos otimizados para desgaste na área do flanco dente, plásticos modificados por dureza na área da raiz dos dentes, metal ou plásticos reforçados com fibra altamente estressados ​​na área ao redor do pico de carga, etc. Eles permitem o custo -Produção eficaz e precisa, por exemplo, através de moldes rotativos. Além disso, os produtos de materiais inteligentes baseados em Peek permitem o design de sistemas tribológicos sem lubrificantes externos de maneira eficiente em termos de energia e economizando material (por meio de reforço e aditivos).