Peek remplace le métal et est d'abord utilisé dans les engrenages de la boîte de vitesses Mercedes-Benz

Peek remplace le métal et est d'abord utilisé dans les engrenages de la boîte de vitesses Mercedes-Benz

Les plastiques hautes performances tels que la polyétheherketone (PEEK) offrent de nombreuses opportunités utiles pour l'amélioration des équipements. Des engrenages PEEK sont utilisés pour la première fois dans les boîtes de vitesses Mercedes-Benz.

Les engrenages d'équilibreur de masse en Vestakeep 5000 G sont les premiers engrenages en plastique à être utilisés dans les transmissions Mercedes-Benz. Il remplace l'équipement métallique précédemment utilisé

Les engrenages en plastique remplacent progressivement les engrenages métalliques traditionnels dans de nombreuses applications techniques car elles sont plus légères, plus silencieuses, ont de bonnes propriétés à sec, ont une faible frottement et une usure et peuvent être fabriquées efficacement. Les produits en plastiques à haute performance tels que la polyéthetrone (PEEK) sont généralement plus stables mécaniquement, thermiquement et chimiquement que les engrenages en plastiques d'ingénierie et permettent ainsi des valeurs de limite de charge prolongées. Une condition préalable importante pour cela est l'évaluation de la conformité et la conception de composants appropriée pour le type de plastique.

En 2018, un centre de compétence pour la Tribologie a été fondé à Darmstadt, en Allemagne, pour le développement de plastiques à haute performance pour la production de composants soumis à un stress frotteur, tels que: PEEK, Polyamide 12 (PA12) et Polyimide (PI). En plus des méthodes conventionnelles telles que les tests de broche sur disque et de balle sur le disque (via les mini tracteurs), ils ont installé un nouveau type de plate-forme d'essai (Fig. 1).

Figure 1: Le centre de compétences de la Tribologie à Darmstadt, en Allemagne, a installé une plate-forme d'essai d'engrenages pour tester les engrenages en plastique: il permet la conception des engrenages en déterminant les valeurs caractéristiques spécifiques aux composants

Testez le banc pour l'évaluation des engrenages en plastique

Le comportement de frottement et d'usure des engrenages est complexe et dépend des contraintes locales spécifiques en contact avec le pignon en acier et les conditions environnementales pendant le fonctionnement. À ce jour, ni des tests de modèle tels que les tests PIN sur disque ni les combinaisons traditionnelles de tests mécaniques statiques et dynamiques sur des échantillons standard n'ont pu évaluer adéquatement le comportement des engrenages en plastique en fonctionnement en raison des conditions de maillage spéciales des engrenages. Au lieu de cela, les valeurs caractéristiques spécifiques aux composants pour la conception peuvent être déterminées sur des engrenages en plastique dans les tests de composants sur la nouvelle plate-forme d'essai d'engrenages. Des charges dynamiques de frottement et d'alternance mécaniques sont appliquées à travers le pignon entraîné par le métal aux dents d'engrenage en plastique dans les conditions de charge, de vitesse et de température définies. Les engrenages en plastique lubrifiés avec de l'huile ou de la graisse, etc. peuvent être comparés aux engrenages en plastique à sec.



Le test est effectué selon la norme allemand VDI 2736-4 ("Egrenages thermoplastiques: détermination des caractéristiques de la capacité de charge de l'engrenage") pour déterminer la capacité de charge dentaire et le coefficient d'usure de différents ensembles de charges. Ces résultats sont utilisés comme données brutes dans les programmes de simulation de conception de matériel professionnel pour aider les clients à optimiser les conceptions. Les tests se poursuivent généralement jusqu'à ce que l'équipement échoue en raison de l'usure du flanc ou de la fracture des racines dentaires. La température de la racine des dents affecte la variation de charge qu'il peut supporter, de sorte qu'elle peut être mesurée et contrôlée avec des capteurs infrarouges (IR) sur les stands de test existants.

Convaincre les propriétés mécaniques et la résistance chimique du coup d'œil

Lors du développement de polymères haute performance pour les engrenages, les différentes exigences mécaniques, thermiques et tribologiques doivent être harmonisées autant que possible selon les contraintes impliquées. Certaines modifications du matériau peuvent nuire aux performances des engrenages. Par exemple, les additifs qui sont parfois utilisés pour améliorer les propriétés anti-usure ou réduire les frottements peuvent affecter négativement le comportement mécanique dynamique d'un équipement (en fonction des caractéristiques des particules et de son adhérence à la matrice plastique) si elles deviennent la source des défauts ou des fissures possibilité ).

Par rapport aux plastiques d'ingénierie tels que le polyoxyméthylène (POM), le PA6 et le PA66, le coup d'œil en plastique haute performance présente de nombreux avantages lorsqu'il est utilisé comme matériau d'engrenage. En particulier, il peut également transférer des charges élevées à des températures élevées. En raison de son absorption d'eau négligeable et de son faible retrait et de son post-shrinkage, les pièces moulées sont dimensionnellement stables, et sur la base de la structure moléculaire des matériaux thermoplastiques, il est également extrêmement résistant chimiquement. Ces propriétés sont particulièrement importantes lorsque les engrenages sont lubrifiés avec de l'huile moteur ou du liquide de transmission, qui est un environnement corrosif pour de nombreux plastiques.

Le stockage dans l'huile reste inchangé

Prendre le taux d'allongement après un stockage complet de contact dans l'huile de vitesse comme exemple (figure 2), nous pouvons voir que PEEK (marque: Evonik Vestakeep 4000 g) est meilleur que le polyphthalamide (PPA, marque: Vestamid HTPlus, gagnez le modèle plus durable) est un polyamide partiellement aromatique avec une stabilité à haute température. L'allongement au rendement du coup d'œil n'a pas changé, mais l'allongement à la rupture de l'APP a diminué considérablement après le stockage pendant 500 heures. Les caractéristiques fragiles du coup d'œil se reflètent dans l'allongement au rendement, tandis que la PPA se reflète dans l'allongement à la pause en raison du manque d'allongement au rendement. Des tests de résistance à l'impact supplémentaires démontrent en outre son comportement de fracasses mécaniques.

Figure 2: L'allongement du rendement de l'allongement du coup d'œil et de la rupture du PPA après un stockage complet de contact dans l'huile de vitesse à 150 ° C: L'allongement de l'APP diminue considérablement en peu de temps, tandis que l'allongement du taux de coupure reste le même.

Par rapport à d'autres plastiques d'ingénierie, la stabilité mécanique et thermique extrêmement élevée de Peek a rendu ses applications de vitesse. Ceci est illustré en testant des engrenages en plein poids moléculaire, dans des conditions sèches et lubrifiées à l'huile à 80 ° C et 130 ° C, respectivement, en utilisant la plate-forme d'essai décrite (Fig. 3). L'équipement en plastique est entraîné à 650 tr / min par un pignon avec une dureté et une rugosité de surface spécifiques. Le résultat est que le coup d'œil lubrifié à l'huile peut transmettre des charges extrêmement élevées sur une durée de vie extrêmement longue. Dans des conditions à sec, les engrenages échouent généralement en raison de l'usure du flanc, tandis que dans des conditions lubrifiées à l'huile, les engrenages échouent généralement en raison de la fracture des racines induite par la fatigue.

Figure 3: Test mécanique des engrenages en Vestakeep 5000 g: Les engrenages PEEK lubrifiés à l'huile peuvent transmettre des charges plus élevées sur plusieurs cycles

Réduire les frictions avec un coup d'œil

Les avantages supplémentaires du coup d'œil comprennent d'excellentes propriétés tribologiques et d'usure, en particulier l'usure faible et le coefficient de frottement. Ce dernier assure des économies d'énergie, qu'ils soient secs ou lubrifiés. Cela a été confirmé dans une autre expérience (Fig. 4). Les coefficients de frottement des combinaisons en acier et en acier en acier dans les tests de bille sur le disque dans l'huile moteur à 23 ° C et 130 ° C en passant une boule en acier avec un rayon de 9,5 mm et un disque en acier et un disque de cercle PEEK était étudié. Au cours de l'expérience, la boule en acier a été chargée de 30 N et a fonctionné avec un rapport de glissière-roll de 25%, qui peut être utilisé pour tester le mouvement du roll de diapositive de deux combinaisons de matériaux.

Fig. 4: Coefficients de frottement des combinaisons en acier en acier et en acier dans les huiles motrices: les coefficients sont nettement plus bas avec l'utilisation du Vestakeep en plastique à haute performance 5000 g

La courbe dite Stribeck montre que l'utilisation de combinaisons en acier dans les systèmes lubrifiés à l'huile permet des solutions extrêmement éconergétiques. Le coefficient de frottement de la combinaison en acier est augmenté à 4 à 7 fois d'origine. Cela peut s'expliquer par le comportement viscoélastique du coup d'œil et la pression hertzienne inférieure résultante entre les surfaces de contact.

Le comportement viscoélastique et un bon effet d'amortissement du coup d'œil sont également des raisons de ses caractéristiques de bruit agréables. Avec l'élimination du bruit du moteur à combustion interne, les transmissions silencieuses deviennent de plus en plus importantes, en particulier pour les véhicules électriques. Dans les unités d'équipement hélicoïdal lubrifiées de graisse, la combinaison PEEK-Steel réduit considérablement le bruit aéroporté, dans certains cas de plus de 10 dB (Fig. 5). Les mesures ont été effectuées sur la plate-forme de coopération technologique de conduite industrielle et automobile (IFA) à la Faculté de génie mécanique de Ruhr-University Bochum, en Allemagne.

Figure 5: Mesures du bruit en suspension dans l'air des combinaisons d'eaux-acier et acier lubrifiées à graisse dans une unité de vitesse hélicoïdale à 3000 tr / min: en utilisant un aperçu, le niveau de bruit a même été réduit de plus de 10 dB dans certains cas

Mercedes-Benz: plastique au lieu de métal

Les avantages décrits ci-dessus permettent l'application de la série de vitesses PEEK dans les transmissions d'équilibreur de masse de Mercedes-Benz (image d'en-tête). Il s'agit du premier engrenage en plastique PEEK utilisé dans cette application de moteur difficile, remplaçant les engrenages métalliques précédemment dédiés. Après une série de tests et d'évaluations par des partenaires manufacturiers, Peek est prêt à être utilisé dans cet environnement sévère. Les engrenages sont fabriqués par moulage par injection, qui est rentable et précis, et ne nécessite pas de post-traitement étendu comme c'était auparavant le cas avec le métal. De plus, le moment de masse inférieur d'inertie pendant la conduite permet d'économiser de l'énergie et permet une course à la course et un comportement à faible bruit.

Résumé et perspective

De l'ingénierie automobile traditionnelle à la robotique en passant par les drones, les applications potentielles pour les engrenages en plastique sont extrêmement diverses. Les plastiques à haute performance tels que PEEK élargissent l'utilisation des engrenages en plastique dans les transmissions à des gammes de couple, de vitesse et de température plus élevées. Pour y parvenir, ils doivent être conçus avec des plastiques à l'esprit afin qu'ils puissent être utilisés dans des appareils plus petits, plus légers et plus économes en énergie. Ces excellentes propriétés favoriseront l'application des engrenages PEEK dans les véhicules électriques et remplaceront davantage les engrenages métalliques. L'impression 3D vous aidera dans ce cas. Il ouvrira également de nouvelles possibilités d'application. L'application de plus de solutions hybrides et l'intégration de fonctions supplémentaires telles que le refroidissement et les canaux de lubrification apportent également plus d'options.

Dans l'ensemble, la technologie complexe de moulage par injection multi-composants apporte une énorme liberté de conception à la conception des équipements. Cela permet d'utiliser des produits en plastiques optimisés dans la zone du flanc dentaire, des plastiques modifiés par dureté dans la zone racinaire des dents, des plastiques renforcés de fibre hautement stressés dans la zone autour du pic de charge, etc. - Production efficace et précise, par exemple via des moules rotatifs. De plus, les produits de matériaux intelligents basés sur PEEK permettent la conception de systèmes tribologiques sans lubrifiants externes d'une manière économe en énergie et économique (par le renforcement et les additifs).