在众多技术应用中，塑料齿轮正在逐渐取代传统的金属齿轮，因为它们更轻、更静音，具有良好的干运转性能，低摩擦低磨损，并且可以高效制造。与工程塑料制成的齿轮相比，由聚醚醚酮（PEEK）等高性能塑料制成的产品通常在机械、热性能和化学性能方面更加稳定，因此能够扩展负载极限值。其中一个重要的前提是针对塑料种类进行合格评定和合适的部件设计。

2018年，赢创在德国达姆施塔特市成立了摩擦学能力中心，专门开发用于生产承受摩擦应力的部件的高性能塑料，例如：PEEK、聚酰胺12（PA12）和聚酰亚胺（PI）。除了传统的方法，例如：销盘和球盘试验（通过迷你牵引机），他们还安装了一个新型试验台（图1）。

图1：位于德国达姆施塔特市的赢创摩擦学能力中心安装了一个用于测试塑料齿轮的齿轮试验台：它可通过确定部件特定的特征值来进行齿轮设计 ©赢创

试验台用于塑料齿轮的评估

齿轮的摩擦磨损行为很复杂，取决于与钢制小齿轮接触的特定局部应力和运行时的环境条件。迄今为止，由于齿轮特殊的啮合条件，无论是销盘等模型试验还是针对标准试样的传统静态和动态机械测试组合，都无法对塑料齿轮运行状态的行为进行充分评估。相反，用于设计的部件特定的特征值可以在新型齿轮试验台的部件测试中的塑料齿轮上测定。在规定的扭矩负载、速度和温度条件下，动态摩擦和机械交变负载通过金属从动小齿轮施加到塑料轮齿上。用油或油脂等进行润滑的塑料齿轮可与干运转的塑料齿轮进行比较。

测试按德国VDI 2736-4标准（“热塑性齿轮：齿轮负载能力特性的测定”）进行来确定不同负载集合的轮齿负载能力和磨损系数等结果。这些结果在专业的齿轮设计模拟程序中被用作原始数据来帮助客户进行优化设计。测试通常会一直进行直到齿轮因齿面磨损或齿根断裂而失效。齿根温度会影响其可承受的负载变化，因此可以在现有试验台上通过红外（IR）传感器对其进行测定和控制。

PEEK的力学性能和耐化学性令人信服

在开发用于齿轮的高性能聚合物时，应根据所涉应力尽可能地协调不同的机械、热性能和摩擦学要求。某些材料改性会对齿轮性能产生不良影响。例如，某些时候用于改善抗磨损性能或减少摩擦的添加剂如果成为了产生缺陷或裂纹的源头，则可能会对齿轮的动态力学行为产生负面影响（取决于颗粒特性及其与塑料基体粘合的可能性）。

与聚甲醛（POM）、PA6和PA66等工程塑料相比，高性能塑料PEEK用作齿轮材料具有诸多优势。尤其是，它在高温环境下也可以传递高负载。由于其吸水率几乎可以忽略不计，并且收缩率和后收缩率低，因此成型件的尺寸非常稳定，并且基于热塑性材料的分子结构，它还具有极强的耐化学性。当齿轮用机油或变速箱油润滑时，这对许多塑料来说是一个腐蚀性的环境，因此上述性能尤为重要。

在油中储存保持不变

以在齿轮油中全接触储存后的伸长率为例（图2），我们可以看出PEEK（牌号：赢创Vestakeep 4000 G）比聚邻苯二甲酰胺（PPA，牌号：Vestamid HTplus，赢创老款产品）更为耐用，后者是一种具有高温稳定性的部分芳香族聚酰胺。PEEK的屈服伸长率没有变化，但PPA的断裂伸长率在储存500小时后显著降低。PEEK的脆化特性体现在屈服伸长率上，而PPA则由于缺少屈服伸长率而体现在断裂伸长率上。附加的冲击强度测试更是表明了其机械脆化行为。

图2：在150°C的温度条件下在齿轮油中全接触储存后PEEK的屈服伸长率和PPA的断裂伸长率：PPA的伸长率在短时间内大幅降低，而PEEK的伸长率保持不变（来源：赢创；图：© Hanser）

与其他工程塑料相比，PEEK极高的机械和热稳定性使其在齿轮应用中取得了成功。这一点可以通过使用所述试验台在干燥条件和机油润滑条件下分别在80°C和130°C时对由高分子量可延展PEEK制成的齿轮进行测试来说明（图3）。塑料齿轮由具有特定表面硬度和粗糙度的制小齿轮以650rpm的速度驱动。其结果是，油润滑的PEEK可以在极长的使用寿命期内传输极高的负载。在干运转条件下，齿轮通常因齿面磨损而失效；而在油润滑条件下，齿轮通常因疲劳导致齿根断裂而失效。

图3：由Vestakeep 5000 G制成的齿轮的机械测试：油润滑的PEEK齿轮可以在多个周期中传递更高的负载（来源：赢创；图：© Hanser）

利用PEEK减少摩擦

PEEK的其他优势还包括优异的摩擦磨损特性，尤其是低磨损和摩擦系数。后者可确保无论是干运转还是润滑条件下都可以节省能源。这一点在另一个实验中得到了证实（图4）。在23°C和130°C的温度条件下在机油中进行的球盘实验中，钢-钢和PEEK-钢组合的摩擦系数通过一个半径为9.5mm的钢球以及一个钢盘和一个PEEK圆盘进行了研究。在实验过程中，钢球负载30N并以25%的滑滚比运行，它可用于测试两种材料组合的滑滚运动。

图4：钢-钢和PEEK-钢组合在机油中的摩擦系数：使用了高性能塑料Vestakeep 5000 G之后，该系数显著降低（来源：赢创；图：© Hanser）

所谓的Stribeck曲线表明，在油润滑系统中使用PEEK-钢组合能够获得极其节能的解决方案。无论是在边界摩擦——接触面之间几乎没有润滑膜的低速条件下，还是在流体动力范围内——接触面之间有完整润滑膜的条件下，钢-钢组合的摩擦系数都提高到了原来的4-7倍。这一点可以通过PEEK的粘弹行为以及由此产生的接触面之间较低的赫兹压力进行解释。

PEEK的粘弹行为和良好的阻尼效果也是其噪声特性令人舒适的原因。随着内燃机噪音的消除，静音变速箱变得越来越重要，尤其对电动汽车而言。在油脂润滑的斜齿轮装置中，PEEK-钢组合可大幅降低空传噪声，某些情况下甚至降低10dB以上（图5）。此次测量在德国波鸿鲁尔大学机械工程学院工业和汽车传动技术合作平台（IFA）进行。

图5：在3000rpm的转速条件下在斜齿轮装置中对油脂润滑的PEEK-钢和钢-钢组合进行空传噪声测量：通过利用PEEK，噪声水平在某些情况下甚至降低了10dB以上（来源：赢创；图：© Hanser）

梅赛德斯-奔驰：用塑料代替金属

上文所述的优势使PEEK齿轮得以在梅赛德斯-奔驰的质量平衡器变速箱中进行系列应用（标题图）。这是首个用在这个极具挑战性的发动机应用中的PEEK塑料齿轮，取代了以前专用的金属齿轮。经过制造合作伙伴的一系列测试和评估，PEEK已可用于这种恶劣环境。齿轮通过注塑成型制造，经济高效而又精确，并且不像以前使用金属时需要大量的后加工。此外，行驶过程中更低的质量惯性矩还可节省能源，并实现平稳运行以及低噪音表现。

总结与展望

从传统的汽车工程到机器人再到无人机，塑料齿轮的潜在应用非常多样。PEEK等高性能塑料将塑料齿轮在变速箱中的应用扩大到了更高的扭矩、速度和温度范围。为了实现这一目标，它们在设计时必须将塑料考虑在内，以便将其应用在更小、更轻和更节能的装置中。这些优良的特性将推动PEEK齿轮在电动汽车中的应用并进一步替代金属齿轮。3D打印在这种情况下将有所助益。它还将带来新的应用可能。更多混合解决方案的应用以及冷却和润滑通道等附加功能的集成也带来了更多选择。

总而言之，复杂的多组分注塑成型技术为齿轮设计带来了巨大的设计自由度。这样一来就有可能在齿面区域使用由磨损优化塑料制成的产品、在齿根区域进行塑料硬度改性并在负载峰值附近区域使用金属或高应力纤维增强塑料等。它们可以实现经济高效且精确的生产，例如：通过旋转模具。此外，基于PEEK的智能材料产品还能够以节能节材的方式（通过增强和添加）设计出无外部润滑剂的摩擦系统。