在眾多技術應用中，塑料齒輪正在逐漸取代傳統的金屬齒輪，因為它們更輕、更靜音，具有良好的干運轉性能，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品通常在機械、熱性能和化學性能方面更加穩定，因此能夠擴展負載極限值。其中一個重要的前提是針對塑料種類進行合格評定和合適的部件設計。

2018年，贏創在德國達姆施塔特市成立了摩擦學能力中心，專門開發用于生產承受摩擦應力的部件的高性能塑料，例如：PEEK、聚酰胺12（PA12）和聚酰亞胺（PI）。除了傳統的方法，例如：銷盤和球盤試驗（通過迷你牽引機），他們還安裝了一個新型試驗臺（圖1）。

圖1：位于德國達姆施塔特市的贏創摩擦學能力中心安裝了一個用于測試塑料齒輪的齒輪試驗臺：它可通過確定部件特定的特征值來進行齒輪設計 ©贏創

試驗臺用于塑料齒輪的評估

齒輪的摩擦磨損行為很復雜，取決于與鋼制小齒輪接觸的特定局部應力和運行時的環境條件。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還是針對標準試樣的傳統靜態和動態機械測試組合，都無法對塑料齒輪運行狀態的行為進行充分評估。相反，用于設計的部件特定的特征值可以在新型齒輪試驗臺的部件測試中的塑料齒輪上測定。在規定的扭矩負載、速度和溫度條件下，動態摩擦和機械交變負載通過金屬從動小齒輪施加到塑料輪齒上。用油或油脂等進行潤滑的塑料齒輪可與干運轉的塑料齒輪進行比較。

測試按德國VDI 2736-4標準（“熱塑性齒輪：齒輪負載能力特性的測定”）進行來確定不同負載集合的輪齒負載能力和磨損系數等結果。這些結果在專業的齒輪設計模擬程序中被用作原始數據來幫助客戶進行優化設計。測試通常會一直進行直到齒輪因齒面磨損或齒根斷裂而失效。齒根溫度會影響其可承受的負載變化，因此可以在現有試驗臺上通過紅外（IR）傳感器對其進行測定和控制。

PEEK的力學性能和耐化學性令人信服

在開發用于齒輪的高性能聚合物時，應根據所涉應力盡可能地協調不同的機械、熱性能和摩擦學要求。某些材料改性會對齒輪性能產生不良影響。例如，某些時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生缺陷或裂紋的源頭，則可能會對齒輪的動態力學行為產生負面影響（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勢。尤其是，它在高溫環境下也可以傳遞高負載。由于其吸水率幾乎可以忽略不計，并且收縮率和后收縮率低，因此成型件的尺寸非常穩定，并且基于熱塑性材料的分子結構，它還具有極強的耐化學性。當齒輪用機油或變速箱油潤滑時，這對許多塑料來說是一個腐蝕性的環境，因此上述性能尤為重要。

在油中儲存保持不變

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

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

與其他工程塑料相比，PEEK極高的機械和熱穩定性使其在齒輪應用中取得了成功。這一點可以通過使用所述試驗臺在干燥條件和機油潤滑條件下分別在80°C和130°C時對由高分子量可延展PEEK制成的齒輪進行測試來說明（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的速度驅動。其結果是，油潤滑的PEEK可以在極長的使用壽命期內傳輸極高的負載。在干運轉條件下，齒輪通常因齒面磨損而失效；而在油潤滑條件下，齒輪通常因疲勞導致齒根斷裂而失效。

圖3：由Vestakeep 5000 G制成的齒輪的機械測試：油潤滑的PEEK齒輪可以在多個周期中傳遞更高的負載（來源：贏創；圖：© Hanser）

利用PEEK減少摩擦

PEEK的其他優勢還包括優異的摩擦磨損特性，尤其是低磨損和摩擦系數。后者可確保無論是干運轉還是潤滑條件下都可以節省能源。這一點在另一個實驗中得到了證實（圖4）。在23°C和130°C的溫度條件下在機油中進行的球盤實驗中，鋼-鋼和PEEK-鋼組合的摩擦系數通過一個半徑為9.5mm的鋼球以及一個鋼盤和一個PEEK圓盤進行了研究。在實驗過程中，鋼球負載30N并以25%的滑滾比運行，它可用于測試兩種材料組合的滑滾運動。

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

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

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。隨著內燃機噪音的消除，靜音變速箱變得越來越重要，尤其對電動汽車而言。在油脂潤滑的斜齒輪裝置中，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）。此次測量在德國波鴻魯爾大學機械工程學院工業和汽車傳動技術合作平臺（IFA）進行。

圖5：在3000rpm的轉速條件下在斜齒輪裝置中對油脂潤滑的PEEK-鋼和鋼-鋼組合進行空傳噪聲測量：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；圖：© Hanser）

梅賽德斯-奔馳：用塑料代替金屬

上文所述的優勢使PEEK齒輪得以在梅賽德斯-奔馳的質量平衡器變速箱中進行系列應用（標題圖）。這是首個用在這個極具挑戰性的發動機應用中的PEEK塑料齒輪，取代了以前專用的金屬齒輪。經過制造合作伙伴的一系列測試和評估，PEEK已可用于這種惡劣環境。齒輪通過注塑成型制造，經濟高效而又精確，并且不像以前使用金屬時需要大量的后加工。此外，行駛過程中更低的質量慣性矩還可節省能源，并實現平穩運行以及低噪音表現。

總結與展望

從傳統的汽車工程到機器人再到無人機，塑料齒輪的潛在應用非常多樣。PEEK等高性能塑料將塑料齒輪在變速箱中的應用擴大到了更高的扭矩、速度和溫度范圍。為了實現這一目標，它們在設計時必須將塑料考慮在內，以便將其應用在更小、更輕和更節能的裝置中。這些優良的特性將推動PEEK齒輪在電動汽車中的應用并進一步替代金屬齒輪。3D打印在這種情況下將有所助益。它還將帶來新的應用可能。更多混合解決方案的應用以及冷卻和潤滑通道等附加功能的集成也帶來了更多選擇。

總而言之，復雜的多組分注塑成型技術為齒輪設計帶來了巨大的設計自由度。這樣一來就有可能在齒面區域使用由磨損優化塑料制成的產品、在齒根區域進行塑料硬度改性并在負載峰值附近區域使用金屬或高應力纖維增強塑料等。它們可以實現經濟高效且精確的生產，例如：通過旋轉模具。此外，基于PEEK的智能材料產品還能夠以節能節材的方式（通過增強和添加）設計出無外部潤滑劑的摩擦系統。