Peek reemplaza el metal y se usa por primera vez en engranajes de la caja de cambios Mercedes-Benz

Peek reemplaza el metal y se usa por primera vez en engranajes de la caja de cambios Mercedes-Benz

Los plásticos de alto rendimiento como la polietheretheretona (PEEK) ofrecen muchas oportunidades útiles para mejorar el equipo. Peek Gears se usa por primera vez en las cajas de cambios Mercedes-Benz.

Los engranajes de balancer de masa hechos de Vestakeep 5000 G son los primeros engranajes de plástico que se usan en las transmisiones de Mercedes-Benz. Reemplaza el equipo de metal utilizado anteriormente

Los engranajes de plástico están reemplazando gradualmente los engranajes de metal tradicionales en numerosas aplicaciones técnicas porque son más ligeras, más tranquilas, tienen buenas propiedades en seco, tienen baja fricción y desgaste, y pueden fabricarse de manera eficiente. Los productos hechos de plásticos de alto rendimiento como la polietheretheretona (PEEK) son generalmente más estables mecánica, térmica y química que los engranajes hechos de plásticos de ingeniería y, por lo tanto, permiten valores de límite de carga extendidos. Un requisito previo importante para esto es la evaluación de conformidad y el diseño de componentes adecuados para el tipo de plástico.

En 2018, se fundó un Centro de Competencia de Tribología en Darmstadt, Alemania, para el desarrollo de plásticos de alto rendimiento para la producción de componentes sujetos a estrés por fricción, como: Peek, Poliamida 12 (PA12) y poliimida (PI). Además de los métodos convencionales como las pruebas PIN-on-Disk y Ball-on-Disk (a través de mini tractores), instalaron un nuevo tipo de plataforma de prueba (Fig. 1).

Figura 1: El Centro de Competencia de Tribología en Darmstadt, Alemania, ha instalado un equipo de prueba de engranajes para probar engranajes de plástico: permite el diseño de engranajes al determinar los valores característicos específicos de los componentes

Banco de prueba para la evaluación de engranajes de plástico

El comportamiento de fricción y desgaste de los engranajes es complejo y depende de las tensiones locales específicas en contacto con el piñón de acero y las condiciones ambientales durante la operación. Hasta la fecha, ni las pruebas de modelo, como las pruebas de pin en disco, ni combinaciones tradicionales de pruebas mecánicas estáticas y dinámicas en muestras estándar han podido evaluar adecuadamente el comportamiento de los engranajes de plástico en funcionamiento debido a las condiciones especiales de malla de los engranajes. En cambio, los valores característicos específicos de los componentes para el diseño se pueden determinar en engranajes de plástico en las pruebas de componentes en la nueva plataforma de prueba de engranajes. La fricción dinámica y las cargas alternativas mecánicas se aplican a través del piñón accionado por metal hasta los dientes de engranaje de plástico en la carga de torque definida, la velocidad y las condiciones de temperatura. Los engranajes de plástico lubricados con aceite o grasa, etc. se pueden comparar con engranajes de plástico secos.



La prueba se lleva a cabo de acuerdo con el estándar alemán VDI 2736-4 ("Engranajes termoplásticos: determinación de las características de capacidad de carga de engranajes") para determinar la capacidad de carga del diente y el coeficiente de desgaste de diferentes conjuntos de carga. Estos resultados se utilizan como datos sin procesar en programas de simulación de diseño de equipo profesional para ayudar a los clientes a optimizar los diseños. Las pruebas generalmente continúan hasta que el engranaje falla debido al desgaste del flanco o la fractura de la raíz del diente. La temperatura de la raíz del diente afecta la variación de carga que puede resistir, por lo que puede medirse y controlarse con sensores infrarrojos (IR) en los soportes de prueba existentes.

Convencir las propiedades mecánicas y la resistencia química de la vista

Al desarrollar polímeros de alto rendimiento para engranajes, los diferentes requisitos mecánicos, térmicos y tribológicos deben armonizarse tanto como sea posible de acuerdo con las tensiones involucradas. Ciertas modificaciones de material pueden afectar negativamente el rendimiento del engranaje. Por ejemplo, los aditivos que a veces se usan para mejorar las propiedades anti-ropa o reducir la fricción pueden afectar negativamente el comportamiento mecánico dinámico de un engranaje (dependiendo de las características de las partículas y su adhesión a la matriz plástica) si se convierten en la fuente de defectos o la posibilidad de grietas ).

En comparación con los plásticos de ingeniería como el polioximetileno (POM), PA6 y PA66, el vistazo de plástico de alto rendimiento tiene muchas ventajas cuando se usa como material de engranaje. En particular, también puede transferir cargas altas a altas temperaturas. Debido a su absorción de agua insignificante y baja contracción y después de la Shrinkage, las piezas moldeadas son dimensionalmente estables, y según la estructura molecular de los materiales termoplásticos, también es extremadamente resistente a la química. Estas propiedades son especialmente importantes cuando los engranajes se lubrican con aceite de motor o fluido de transmisión, que es un ambiente corrosivo para muchos plásticos.

El almacenamiento en el aceite permanece sin cambios

Tomando la tasa de alargamiento después del almacenamiento de contacto completo en el aceite de engranaje como ejemplo (Figura 2), podemos ver que Peek (marca: Evonik Vestakeep 4000 G) es mejor que la poliftalamida (PPA, Brand: Vestamid HTPlus, Gana el modelo más duradero) es una poliamida parcialmente aromática con alta estabilidad de temperatura. El alargamiento en el rendimiento de Peek no cambió, pero el alargamiento al descanso de PPA disminuyó significativamente después del almacenamiento durante 500 horas. Las características frágiles de Peek se reflejan en el alargamiento en el rendimiento, mientras que el PPA se refleja en el alargamiento en la ruptura debido a la falta de alargamiento en el rendimiento. Las pruebas de fuerza de impacto adicionales demuestran aún más su comportamiento de fragilidad mecánica.

Figura 2: Elongación del rendimiento de PEEK y el alargamiento de la ruptura de PPA después del almacenamiento de contacto completo en el aceite de engranaje a 150 ° C: el alargamiento de PPA disminuye sustancialmente en poco tiempo, mientras que el alargamiento de la velocidad de vista sigue siendo el mismo.

En comparación con otros plásticos de ingeniería, la estabilidad mecánica y térmica extremadamente alta de Peek lo ha hecho suceder en aplicaciones de equipo. Esto se ilustra mediante engranajes de prueba hechos de un vistazo dúctil de alto peso molecular en condiciones secas y lubricadas en aceite a 80 ° C y 130 ° C, respectivamente, utilizando la plataforma de prueba descrita (Fig. 3). El engranaje de plástico se conduce a 650 rpm por un piñón con una dureza y rugosidad de la superficie específica. El resultado es que Peek lubricado con aceite puede transmitir cargas extremadamente altas en una vida útil extremadamente larga. En condiciones de carrera seca, los engranajes generalmente fallan debido al desgaste del flanco, mientras que en condiciones de aceite lubricadas, los engranajes generalmente fallan debido a la fractura de raíz inducida por fatiga.

Figura 3: Pruebas mecánicas de engranajes hechos de Vestakeep 5000 g: los engranajes de vista lubricados con aceite pueden transmitir cargas más altas en múltiples ciclos

Reducir la fricción con un vistazo

Las ventajas adicionales de PEEK incluyen excelentes propiedades tribológicas y de desgaste, especialmente bajo desgaste y coeficiente de fricción. Este último garantiza el ahorro de energía, ya sea en seco o lubricado. Esto fue confirmado en otro experimento (Fig. 4). Coeficientes de fricción de acero y combinaciones de acero y acero en pruebas de bola sobre disco en aceite del motor a 23 ° C y 130 ° C pasando una bola de acero con un radio de 9.5 mm y un disco de acero y un disco de círculo de mirada fue estudió. Durante el experimento, la bola de acero se cargó con 30N y se operó con una relación de rollo de deslizamiento del 25%, que puede usarse para probar el movimiento de rollo de deslizamiento de dos combinaciones de material.

Fig. 4: Coeficientes de fricción de acero de acero y combinaciones de acero de vista en aceites de motor: los coeficientes son significativamente más bajos con el uso del plástico de alto rendimiento Vestakeep 5000 g

La llamada curva de Stribeck muestra que el uso de combinaciones de acero de vista en sistemas lubricados con aceite permite soluciones extremadamente eficientes en energía. El coeficiente de fricción de la combinación de acero de acero se incrementa a las 4-7 veces originales. Esto puede explicarse por el comportamiento viscoelástico de PEEK y la presión hertziana más baja resultante entre las superficies de contacto.

El comportamiento viscoelástico y el buen efecto de amortiguación de PEEK también son razones de sus características agradables de ruido. Con la eliminación del ruido interno del motor de combustión, las transmisiones silenciosas se están volviendo cada vez más importantes, especialmente para los vehículos eléctricos. En las unidades de engranajes helicoidales lubricados con grasa, la combinación de acero de vista reduce significativamente el ruido en el aire, en algunos casos en más de 10dB (Fig. 5). Las mediciones se llevaron a cabo en la Plataforma de Cooperación de Tecnología Industrial y Automotriz (IFA) en la Facultad de Ingeniería Mecánica en Ruhr-University Bochum, Alemania.

Figura 5: Mediciones de ruido en el aire de combinaciones de acero y acero de acero lubricados en grasa en una unidad de engranaje helicoidal a 3000 rpm: al utilizar PEEK, el nivel de ruido incluso se redujo en más de 10 dB en algunos casos

Mercedes-Benz: plástico en lugar de metal

Las ventajas descritas anteriormente permiten la aplicación en serie de engranajes de vista en las transmisiones de equilibrio de masa de Mercedes-Benz (imagen del encabezado). Este es el primer engranaje de plástico utilizado en esta desafiante aplicación del motor, reemplazando los engranajes de metal dedicados previamente. Después de una serie de pruebas y evaluaciones de socios de fabricación, Peek está listo para su uso en este entorno duro. Los engranajes se fabrican mediante molduras de inyección, que es rentable y preciso, y no requiere un postprocesamiento extenso como era el caso con el metal. Además, el momento de inercia en masa más bajo durante la conducción ahorra energía y permite un comportamiento suave y de bajo ruido.

Resumen y perspectiva

Desde ingeniería automotriz tradicional hasta robótica, drones, las aplicaciones potenciales para engranajes de plástico son extremadamente diversas. Los plásticos de alto rendimiento, como PEEK, amplían el uso de engranajes de plástico en transmisiones a rangos de mayor par, velocidad y temperatura. Para lograr esto, deben diseñarse con los plásticos en mente para que puedan usarse en dispositivos más pequeños, más ligeros y más eficientes en energía. Estas excelentes propiedades promoverán la aplicación de engranajes de vista en vehículos eléctricos y reemplazarán aún más los engranajes de metal. La impresión 3D ayudará en este caso. También abrirá nuevas posibilidades de aplicación. La aplicación de soluciones más híbridas y la integración de funciones adicionales, como los canales de enfriamiento y lubricación, también trae más opciones.

En general, la compleja tecnología de moldeo por inyección de múltiples componentes aporta una enorme libertad de diseño al diseño de engranajes. Esto hace posible usar productos hechos de plásticos optimizados de desgaste en el área del flanco dental, plásticos modificados con dureza en el área de la raíz del diente, metal o plásticos reforzados con fibra altamente estresados ​​en el área alrededor del pico de carga, etc. -Producción efectiva y precisa, por ejemplo, a través de moldes rotativos. Además, los productos de materiales inteligentes basados ​​en PEEK permiten el diseño de sistemas tribológicos sin lubricantes externos de una manera eficiente y ahorrador de material (a través del refuerzo y los aditivos).