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在眾多技術(shù)應(yīng)用中，塑料齒輪正在逐漸取代傳統(tǒng)的金屬齒輪，因?yàn)樗鼈兏p、更靜音，具有良好的干運(yùn)轉(zhuǎn)性能，低摩擦低磨損，并且可以高效制造。與工程塑料制成的齒輪相比，由聚醚醚酮（PEEK）等高性能塑料制成的產(chǎn)品通常在機(jī)械、熱性能和化學(xué)性能方面更加穩(wěn)定，因此能夠擴(kuò)展負(fù)載極限值。其中一個(gè)重要的前提是針對(duì)塑料種類進(jìn)行合格評(píng)定和合適的部件設(shè)計(jì)。

2018年，贏創(chuàng)在德國(guó)達(dá)姆施塔特市成立了摩擦學(xué)能力中心，專門開發(fā)用于生產(chǎn)承受摩擦應(yīng)力的部件的高性能塑料，例如：PEEK、聚酰胺12（PA12）和聚酰亞胺（PI）。除了傳統(tǒng)的方法，例如：銷盤和球盤試驗(yàn)（通過迷你牽引機(jī)），他們還安裝了一個(gè)新型試驗(yàn)臺(tái)（圖1）。

圖1：位于德國(guó)達(dá)姆施塔特市的贏創(chuàng)摩擦學(xué)能力中心安裝了一個(gè)用于測(cè)試塑料齒輪的齒輪試驗(yàn)臺(tái)：它可通過確定部件特定的特征值來進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì) ©贏創(chuàng)

試驗(yàn)臺(tái)用于塑料齒輪的評(píng)估

齒輪的摩擦磨損行為很復(fù)雜，取決于與鋼制小齒輪接觸的特定局部應(yīng)力和運(yùn)行時(shí)的環(huán)境條件。迄今為止，由于齒輪特殊的嚙合條件，無論是銷盤等模型試驗(yàn)還是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的傳統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)機(jī)械測(cè)試組合，都無法對(duì)塑料齒輪運(yùn)行狀態(tài)的行為進(jìn)行充分評(píng)估。相反，用于設(shè)計(jì)的部件特定的特征值可以在新型齒輪試驗(yàn)臺(tái)的部件測(cè)試中的塑料齒輪上測(cè)定。在規(guī)定的扭矩負(fù)載、速度和溫度條件下，動(dòng)態(tài)摩擦和機(jī)械交變負(fù)載通過金屬?gòu)膭?dòng)小齒輪施加到塑料輪齒上。用油或油脂等進(jìn)行潤(rùn)滑的塑料齒輪可與干運(yùn)轉(zhuǎn)的塑料齒輪進(jìn)行比較。

測(cè)試按德國(guó)VDI 2736-4標(biāo)準(zhǔn)（“熱塑性齒輪：齒輪負(fù)載能力特性的測(cè)定”）進(jìn)行來確定不同負(fù)載集合的輪齒負(fù)載能力和磨損系數(shù)等結(jié)果。這些結(jié)果在專業(yè)的齒輪設(shè)計(jì)模擬程序中被用作原始數(shù)據(jù)來幫助客戶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。測(cè)試通常會(huì)一直進(jìn)行直到齒輪因齒面磨損或齒根斷裂而失效。齒根溫度會(huì)影響其可承受的負(fù)載變化，因此可以在現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)上通過紅外（IR）傳感器對(duì)其進(jìn)行測(cè)定和控制。

PEEK的力學(xué)性能和耐化學(xué)性令人信服

在開發(fā)用于齒輪的高性能聚合物時(shí)，應(yīng)根據(jù)所涉應(yīng)力盡可能地協(xié)調(diào)不同的機(jī)械、熱性能和摩擦學(xué)要求。某些材料改性會(huì)對(duì)齒輪性能產(chǎn)生不良影響。例如，某些時(shí)候用于改善抗磨損性能或減少摩擦的添加劑如果成為了產(chǎn)生缺陷或裂紋的源頭，則可能會(huì)對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為產(chǎn)生負(fù)面影響（取決于顆粒特性及其與塑料基體粘合的可能性）。

與聚甲醛（POM）、PA6和PA66等工程塑料相比，高性能塑料PEEK用作齒輪材料具有諸多優(yōu)勢(shì)。尤其是，它在高溫環(huán)境下也可以傳遞高負(fù)載。由于其吸水率幾乎可以忽略不計(jì)，并且收縮率和后收縮率低，因此成型件的尺寸非常穩(wěn)定，并且基于熱塑性材料的分子結(jié)構(gòu)，它還具有極強(qiáng)的耐化學(xué)性。當(dāng)齒輪用機(jī)油或變速箱油潤(rùn)滑時(shí)，這對(duì)許多塑料來說是一個(gè)腐蝕性的環(huán)境，因此上述性能尤為重要。

在油中儲(chǔ)存保持不變

以在齒輪油中全接觸儲(chǔ)存后的伸長(zhǎng)率為例（圖2），我們可以看出PEEK（牌號(hào)：贏創(chuàng)Vestakeep 4000 G）比聚鄰苯二甲酰胺（PPA，牌號(hào)：Vestamid HTplus，贏創(chuàng)老款產(chǎn)品）更為耐用，后者是一種具有高溫穩(wěn)定性的部分芳香族聚酰胺。PEEK的屈服伸長(zhǎng)率沒有變化，但PPA的斷裂伸長(zhǎng)率在儲(chǔ)存500小時(shí)后顯著降低。PEEK的脆化特性體現(xiàn)在屈服伸長(zhǎng)率上，而PPA則由于缺少屈服伸長(zhǎng)率而體現(xiàn)在斷裂伸長(zhǎng)率上。附加的沖擊強(qiáng)度測(cè)試更是表明了其機(jī)械脆化行為。

圖2：在150°C的溫度條件下在齒輪油中全接觸儲(chǔ)存后PEEK的屈服伸長(zhǎng)率和PPA的斷裂伸長(zhǎng)率：PPA的伸長(zhǎng)率在短時(shí)間內(nèi)大幅降低，而PEEK的伸長(zhǎng)率保持不變（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）

與其他工程塑料相比，PEEK極高的機(jī)械和熱穩(wěn)定性使其在齒輪應(yīng)用中取得了成功。這一點(diǎn)可以通過使用所述試驗(yàn)臺(tái)在干燥條件和機(jī)油潤(rùn)滑條件下分別在80°C和130°C時(shí)對(duì)由高分子量可延展PEEK制成的齒輪進(jìn)行測(cè)試來說明（圖3）。塑料齒輪由具有特定表面硬度和粗糙度的制小齒輪以650rpm的速度驅(qū)動(dòng)。其結(jié)果是，油潤(rùn)滑的PEEK可以在極長(zhǎng)的使用壽命期內(nèi)傳輸極高的負(fù)載。在干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，齒輪通常因齒面磨損而失效；而在油潤(rùn)滑條件下，齒輪通常因疲勞導(dǎo)致齒根斷裂而失效。

圖3：由Vestakeep 5000 G制成的齒輪的機(jī)械測(cè)試：油潤(rùn)滑的PEEK齒輪可以在多個(gè)周期中傳遞更高的負(fù)載（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）

利用PEEK減少摩擦

PEEK的其他優(yōu)勢(shì)還包括優(yōu)異的摩擦磨損特性，尤其是低磨損和摩擦系數(shù)。后者可確保無論是干運(yùn)轉(zhuǎn)還是潤(rùn)滑條件下都可以節(jié)省能源。這一點(diǎn)在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)（圖4）。在23°C和130°C的溫度條件下在機(jī)油中進(jìn)行的球盤實(shí)驗(yàn)中，鋼-鋼和PEEK-鋼組合的摩擦系數(shù)通過一個(gè)半徑為9.5mm的鋼球以及一個(gè)鋼盤和一個(gè)PEEK圓盤進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，鋼球負(fù)載30N并以25%的滑滾比運(yùn)行，它可用于測(cè)試兩種材料組合的滑滾運(yùn)動(dòng)。

圖4：鋼-鋼和PEEK-鋼組合在機(jī)油中的摩擦系數(shù)：使用了高性能塑料Vestakeep 5000 G之后，該系數(shù)顯著降低（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）

所謂的Stribeck曲線表明，在油潤(rùn)滑系統(tǒng)中使用PEEK-鋼組合能夠獲得極其節(jié)能的解決方案。無論是在邊界摩擦——接觸面之間幾乎沒有潤(rùn)滑膜的低速條件下，還是在流體動(dòng)力范圍內(nèi)——接觸面之間有完整潤(rùn)滑膜的條件下，鋼-鋼組合的摩擦系數(shù)都提高到了原來的4-7倍。這一點(diǎn)可以通過PEEK的粘彈行為以及由此產(chǎn)生的接觸面之間較低的赫茲壓力進(jìn)行解釋。

PEEK的粘彈行為和良好的阻尼效果也是其噪聲特性令人舒適的原因。隨著內(nèi)燃機(jī)噪音的消除，靜音變速箱變得越來越重要，尤其對(duì)電動(dòng)汽車而言。在油脂潤(rùn)滑的斜齒輪裝置中，PEEK-鋼組合可大幅降低空傳噪聲，某些情況下甚至降低10dB以上（圖5）。此次測(cè)量在德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)和汽車傳動(dòng)技術(shù)合作平臺(tái)（IFA）進(jìn)行。

圖5：在3000rpm的轉(zhuǎn)速條件下在斜齒輪裝置中對(duì)油脂潤(rùn)滑的PEEK-鋼和鋼-鋼組合進(jìn)行空傳噪聲測(cè)量：通過利用PEEK，噪聲水平在某些情況下甚至降低了10dB以上（來源：贏創(chuàng)；圖：© Hanser）

梅賽德斯-奔馳：用塑料代替金屬

上文所述的優(yōu)勢(shì)使PEEK齒輪得以在梅賽德斯-奔馳的質(zhì)量平衡器變速箱中進(jìn)行系列應(yīng)用（標(biāo)題圖）。這是首個(gè)用在這個(gè)極具挑戰(zhàn)性的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的PEEK塑料齒輪，取代了以前專用的金屬齒輪。經(jīng)過制造合作伙伴的一系列測(cè)試和評(píng)估，PEEK已可用于這種惡劣環(huán)境。齒輪通過注塑成型制造，經(jīng)濟(jì)高效而又精確，并且不像以前使用金屬時(shí)需要大量的后加工。此外，行駛過程中更低的質(zhì)量慣性矩還可節(jié)省能源，并實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行以及低噪音表現(xiàn)。

總結(jié)與展望

從傳統(tǒng)的汽車工程到機(jī)器人再到無人機(jī)，塑料齒輪的潛在應(yīng)用非常多樣。PEEK等高性能塑料將塑料齒輪在變速箱中的應(yīng)用擴(kuò)大到了更高的扭矩、速度和溫度范圍。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)必須將塑料考慮在內(nèi)，以便將其應(yīng)用在更小、更輕和更節(jié)能的裝置中。這些優(yōu)良的特性將推動(dòng)PEEK齒輪在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用并進(jìn)一步替代金屬齒輪。3D打印在這種情況下將有所助益。它還將帶來新的應(yīng)用可能。更多混合解決方案的應(yīng)用以及冷卻和潤(rùn)滑通道等附加功能的集成也帶來了更多選擇。

總而言之，復(fù)雜的多組分注塑成型技術(shù)為齒輪設(shè)計(jì)帶來了巨大的設(shè)計(jì)自由度。這樣一來就有可能在齒面區(qū)域使用由磨損優(yōu)化塑料制成的產(chǎn)品、在齒根區(qū)域進(jìn)行塑料硬度改性并在負(fù)載峰值附近區(qū)域使用金屬或高應(yīng)力纖維增強(qiáng)塑料等。它們可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效且精確的生產(chǎn)，例如：通過旋轉(zhuǎn)模具。此外，基于PEEK的智能材料產(chǎn)品還能夠以節(jié)能節(jié)材的方式（通過增強(qiáng)和添加）設(shè)計(jì)出無外部潤(rùn)滑劑的摩擦系統(tǒng)。