Vir znanja in izkušenj za stroko
Portorož, 6. in 7. junij 2011
TESTIRANJE USTREZNOSTI PLASTIČNIH MATERIALOV
ZA ZOBNIŠKE DVOJICE
Aljaž POGAČNIK1, Mitjan KALIN2, Jože TAVČAR1,2
1
Iskra Mehanizmi, d.d.
2
Fakulteta za strojništvo, Ljubljana
IZVLEČEK
V Iskri Mehanizmi izdelujemo veliko število izdelkov v katerih se pojavljajo zobniške dvojice iz plastičnih materialov:
mehatronski pogoni, depilatorji, gospodinjski aparati, števci… Ker so mehatronski pogoni strateška usmeritev podjetja,
smo se odločili za poglobljeno raziskavo v sodelovanju s Centrom za tribologijo in tehnično diagnostiko - CTD na Fakulteti
za strojništvo v Ljubljani. Pomembno je, da za zobniški prenos izberemo ustrezen material. Trenutno veljavni standard za
preračun plastičnih zobnikov ne obstaja, prejšnji standard pa zaradi velikega napredka v materialih ni več primeren za
uporabo. Prva rešitev je, da podjetje izdela lastno napravo za testiranje plastičnih zobnikov. Druga bolj zanimiva rešitev so
klasični tribološki testi, pri katerih se merita trenje in obraba za različne kombinacije materialov. Klasična tribološka
testiranja so časovno precej hitrejša kot testiranja materialov na zobniških testih. Cenovno ugodna je tudi izdelava
oblikovno enostavnih preizkušancev.
1 UVOD
Glavni namen raziskave je ugotoviti, ali lahko
na podlagi klasičnih triboloških testov (valjčekdisk) za plastične materiale sklepamo, ali bo ista
kombinacija materialov primerna za uporabo v
zobniških dvojicah. Izvajajo se tribološki testi za
različne kombinacije materialov, pri katerih se
merita obraba in trenje plastičnih materialov pod
različnimi obremenitvenimi pogoji. Poleg tega se
meritudi temperatura zgornjega preizkušanca in
sicer s termokamero.
V podjetju Iskra Mehanizmi je bila razvita in
izdelana namenska naprava za testiranje
plastičnih zobnikov. Glavni cilj projekta je
postavitev obrabnih mehanizmov in temperatur v
kontaktih pri klasičnih triboloških testih in pri
zobniških testih ter poskušali najti povezave med
njimi. Na podlagi zahtev za zobniško gonilo
hočemo izbrati optimalen material za zobniški
par, ga relativno poceni testirali in šele na koncu
izdelali orodje za brizganje zobnikov. To je
pomemben korak k temu, da bomo v Iskra
Mehanizmi postali vodilni pri konstruiranju gonil
iz plastičnih materialov.
INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2011
Slika 1: Prikaz nekaj vrst plastičnih zobnikov.
1.1 Plastični materiali za zobnike
Plastični materiali se za zobniške prenose
uporabljajo že več kot 50 let. V zadnjem
desetletju je njihova uporaba vedno večja, saj
prenašajo vedno večje obremenitve, tudi pod
najbolj neprijaznimi obratovalnimi pogoji.
Proizvajalci polimernih materialov neprestano
izboljšujejo obstoječe materiale in razvijajo nove
vrste s specifičnimi lastnostmi. Osnovne vrste
polimernih materialov so lahko ojačena s polnili
111
TESTIRANJE USTREZNOSTI PLASTIČNIH MATERIALOV
ZA ZOBNIŠKE DVOJICE
Aljaž POGAČNIK1, Mitjan KALIN2, Jože TAVČAR1,2
1
Iskra Mehanizmi, d.d., 2Fakulteta za strojništvo, Ljubljana
(steklena, ogljikova ali naravna vlakna,
nanocevke MoS2, PTFE, ), tako da dobimo
neomejeno bazo materialov z najrazličnejšimi
lastnostmi. Naša naloga je, da izberemo ustrezen
material za konkretno aplikacijo.
Najpogostejši skupini materialov v literaturi za
polimerne zobnike sta PA - Poliamid in POM Poliacetal, ki se uporabljata v veliki večini
inženirskih aplikacij. Najbolj sta razširjena zaradi
dobrih mehanskih in triboloških lastnosti ter
zaradi nizke cene, vendar sta nekoliko slabša pri
povišanih temperaturah. Tu so boljši polimeri
PEEK – Polyether Ether Ketone polimeri, ki
imajo dobre mehanske lastnosti tudi pri povišanih
temperaturah, vendar so precej dražji od prej
omenjenih (ojačani lahko dosežejo ceno
150 €/kg). PA in POM sta bolj raziskana, medtem
ko je o PEEK materialih narejeno manjše število
raziskav na dejanskih zobniških aplikacijah.
2 KLASIČNI TRIBOLOŠKI TESTI
Testna naprava valjček-disk (pin-on-disc) je v
praksi najpogosteje uporabljena za merjenje
triboloških lastnosti polimernih materialov. Slika
2.1 prikazuje preprosto shemo te naprave, slika
2.2 pa fotografijo naprave, na kateri smo izvajali
teste. Naprava je sestavljena iz vrtečega diska, ki
ga poganja motor in iz zgornje ročice, na katerem
je pritrjen testni primerek. Testni primerek je
pritrjen v nosilec, z zaznavalom pa nato merimo
deformacijo nosilca in posredno tangencialno
obremenitev na preizkušanec. Na zgornji del se
dodaja obremenitev, s katero dobimo želeno
normalno obremenitev v kontaktu. Tako lahko
nato izračunamo koeficient trenja za različne
kombinacije preizkušancev. Obrabo smo določili
s tehtanjem in merjenjem dolžine preizkušancev
pred in po testu.
Splošne značilnosti poliamidov (PA) so
odlična odpornost proti obrabi in abraziji, visoka
trdnost, togost in trdota, nizek koeficient trenja,
dobra odpornost proti utrujanju ter odpornost
proti kemikalijam [1]. Največji problem
poliamidov je veliko vpijanje vlage, kar povzroči
poslabšanje mehanskih lastnosti materiala.
Poliacetali (POM) imajo prednost pred nyloni
(PA) zaradi manjše absorbcije vlage (do 0,2 %).
Posledica manjše dostopnosti vezi je tudi nizek
koeficient trenja in v povezavi z dobro abrazijsko
odpornostjo so poliacetali (POM) zelo primerni
za zobnike, kot tudi za druge tribološke
aplikacije. Imeni, ki sta še v uporabi za to skupino
sta poliformaldehid in polioksimetilen. Večina
proizvajalcev ima za acetal svoje tržno ime npr.
Delrin® (DuPont), Celcon® (Ticona), Amilus®
(Toray) [1].
PEEK materiali imajo zaradi aromatičnosti
hrbtenice (spojine benzena) dobre termične
lastnosti (obratovalna temperatura tudi do
260 °C) in visoko temperaturo tališča (do
390 °C). Med drugim imajo dobro abrazijsko
odpornost, dobro udarno trdnost in odpornost
proti utrujanju ter nizko absorpcijo vlage [3, 4].
Glavna slabost je njihova cena, ki je lahko tudi do
20x večja od npr. poliamidov [2].
112
Slika 2.1: Shema naprave valjček-disk.
2.1 Kombinacije polimer/polimer
Slika 2.3 prikazuje koeficiente trenja v
odvisnosti od tlaka za različne kombinacije
polimer/polimer pri konstantnih hitrostih (pri
vseh tlakih je hitrost enaka in je napisana v
legendi grafov) in pri suhem kontaktu, ki smo jih
dobili iz literature.
Material PEEK ima v kontaktu z drugimi
polimeri manjšo obrabo kot PA in se giblje med
1E-5 mm3/Nm ter 6E-5 mm3/Nm. Glede na
pridobljene podatke je glavni faktor, ki določa
stopnjo obrabe, izbira kombinacije materialov. To
gre na račun različnih struktur materialov in na
različne vezi med ojačitvami in osnovnim
INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2011
TESTIRANJE USTREZNOSTI PLASTIČNIH MATERIALOV
ZA ZOBNIŠKE DVOJICE
1
materialom. Seveda so še drugi faktorji, ki
določajo stopnjo obrabe, kot npr. hrapavost,
mazivo, hitrost, tlak.
Aljaž POGAČNIK1, Mitjan KALIN2, Jože TAVČAR1,2
Iskra Mehanizmi, d.d., 2Fakulteta za strojništvo, Ljubljana
strukture materiala, kar se pokaže v povečani
stopnji obrabe.
Maziva (voda, olje) imajo slab vpliv na
formacijo filma, saj ovirajo njegov nastanek oz.
ga lahko celo preprečijo [6]. Mazivo namreč
odnese obrabne delce iz kontakta, tako da ti ne
morejo tvoriti prenosnega filma. Če bi prenosni
film zmanjšal obrabo materiala, je potem mazivo
za ta primer slabo, če pa bi prenosni film povečal
obrabo, potem je imelo mazivo pozitiven vpliv.
To je odvisno od primera do primera.
Slika 2.2: Pin-on-disc naprava na kateri tečejo
testi, CTD, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana.
Pri kombinaciji na polimer se obraba
zmanjšuje z večanjem tlaka, medtem ko se pri
kombinaciji na jeklo povečuje. Obraba se za
mazan kontakt nahaja med 5E-6 mm3/Nm ter 2E3
mm3/Nm pri tlaku do 3 MPa. Ojačitve v
plastičnem materialu imajo pozitivnem vpliv na
koeficient trenja. Ojačitve izboljšajo mehanske
lastnosti osnovnega materiala, prav tako
pomagajo pri vzpostavitvi prenosnega filma. Ena
izmed prednost uporabe ojačitev pri polimerih je
tudi njihova dobra toplotna prevodnost (k), kar se
odrazi v nižji temperaturi v kontaktu, saj se
toplota odvede po ojačitvah v notranjost polimera
[5]. Toplotna prevodnost polimera se z dodanimi
ojačitvami poveča za faktor 2 [6].
Hrapavost površin ima pomembno vlogo v
tribološkem kontaktu, prav tako pa vpliva tudi na
nastanek prenosnega filma. Na material PA ima
hrapavost bistveno manjši učinek kot na material
POM. Nekateri starejših modeli občutljivost
neojačanih polimernih materialov na hrapavost
povezujejo s produktom »sε«. Spremenljivka »s«
je natezna trdnost in ε raztezek pri porušitvi, kar
razloži manjšo občutljivost materiala PA na
hrapavost.
Pri materialu PA uporaba maziva poveča obrabo
zaradi strukture materiala. Materiali PA so
porozni in zato v njihovo strukturo lahko prodre
mazivo. Mazivo v osnovnem materialu oslabi
INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2011
Slika 2.3: Koeficient trenja v odvisnosti od tlaka
za kombinacijo polimer/polimer pri
konstantni hitrosti.
Slika 2.4: Obraba v odvisnosti od tlaka za
kombinacijo
polimer/polimer
pri
konstantni hitrosti.
Povzetek triboloških testov iz literature:
 Za testiranje materialov PA se uporablja
največji tlak 3 MPa in največja hitrost
2 m/s;
113
TESTIRANJE USTREZNOSTI PLASTIČNIH MATERIALOV
ZA ZOBNIŠKE DVOJICE
Aljaž POGAČNIK1, Mitjan KALIN2, Jože TAVČAR1,2
1
Iskra Mehanizmi, d.d., 2Fakulteta za strojništvo, Ljubljana









Za testiranje materialov POM se uporablja
največji tlak 1,5 MPa in največja hitrost
2 m/s;
Za testiranje materialov PEEK se
uporablja največji tlak 8 MPa in največja
hitrost 3 m/s;
Uporaba maziva zmanjša koeficient trenja
za materiale PA, POM in PEEK v
kombinaciji z jeklom in v kombinaciji s
polimeri;
Za materiale PA uporaba maziva poveča
obrabo; materiali PA so namreč porozni in
mazivo prodre v strukturo polimera ter jo
oslabi;
Za materiale PEEK uporaba maziva
zmanjša obrabo, saj je ta skupina bistveno
manj občutljiva na maziva kot PA; maziva
na PEEK strukturo materialov ne
vplivajo;
Spreminjanje hitrosti in tlaka praktično
nima nobenega vpliva na material PEEK;
Ojačitve pozitivno vplivajo na tribološke
in mehanske lastnosti polimerov, saj
znižajo koeficient trenja na obrabo, prav
tako pa izboljšajo mehanske in termične
lastnosti osnovnega materiala;
Materiali PA, POM in PEEK v
kombinaciji z jeklom tvorijo prenosne
filme, ki izboljšajo tribološke lastnosti
polimera;
Mazivo preprečuje nastanek prenosnega
filma v kontaktu.
Na trgu je zelo veliko število različnih
materialov in njihovih polnil, zato standardizirani
preračuni polimernih zobnikov ne ustrezajo več
dejanskim razmeram. Preveč je različnih
parametrov, ki vplivajo na obratovalno dobo
zobnikov.
V
literaturi
nismo
zasledili
univerzalnega preračuna za plastične zobnike, ki
bi bil napisan v zadnjem desetletju. Namesto tega
se največ uporablja testiranje zobnikov na testnih
napravah oz. še boljše na realnih aplikacijah.
Tako lahko simuliramo različne pogoje in
obremenitve in iz rezultatov takoj sklepamo na
življenjsko dobo posameznega zobniškega para v
konkretni aplikaciji.
114
Slika 2.5: Glavni parametri, ki vplivajo na
tribološke lastnosti polimerov.
3 ZOBNIŠKI TESTI
Eden glavnih parametrov, ki vpliva na
koeficient trenja in na obrabo v zobniških parih,
je moment, ki ga zobniški par prenaša. Moment
lahko preračunamo v upogibno napetost po
Lewisu, s čimer lahko v teoriji primerjamo med
seboj zobnike različnih geometrijskih veličin in
različno obremenjene.
Upogibna napetost ima velik vpliv tudi na
temperaturo, ki se pojavi na zobnikih.
Povečevanje tlaka (obremenitve) povzroči
povečanje temperature na zobeh, kar posledično
povzroči povečano obrabo in na koncu porušitev.
Zaradi deformacije zob se v zobeh pojavi tudi
histerezno segrevanje. Vsakokratna deformacija
zoba namreč generira določeno toploto, ki jo je
nato potrebno odvesti iz zoba, drugače
temperatura zoba preveč naraste. Z zmanjšanjem
vrtilne hitrosti se to histerezno segrevanje
zmanjša, saj je frekvenca deformacije manjša;
zobnik ima več časa da se ohladi, tako da se
toplota odvede v notranjost zobnika ali v okolico
[7]. Ojačitve izboljšajo tribološke lastnosti na
zobnikih, s čimer se na zobeh generira manj
toplote. Steklena vlakna (kot tudi ogljikova
vlakna) povečajo toplotno prevodnost, zato se
INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2011
TESTIRANJE USTREZNOSTI PLASTIČNIH MATERIALOV
ZA ZOBNIŠKE DVOJICE
1
izboljša prenos toplote v notranjost zobnika. Prav
tako vlakna povečajo togost zoba, tako da se
zmanjšajo tudi histerezne izgube.
Najbolj kritični del zoba je območje na sredini,
kjer je v kontaktu samo en zob. Obremenitev se
na tem mestu poveča, zaradi česar se povečajo
napetosti v zobeh in temperature na površini.
Povečane napetosti lahko povzročijo nastanek
razpok v tem delu kontakta, lahko pa povzročijo
tudi utrujenostne poškodbe v korenu zoba. Če k
temu dodamo še povišane temperature, ki
povzročijo lokalno taljenje polimerov, potem
pride do velike obrabe na bokih zob kot tudi do
lomov zob.
Na področju polimernih zobnikov se izvajajo
številne raziskave, vendar pa kljub temu še veliko
ostaja nepojasnjenega. Predvsem se pojavi
problem velikega števila materialov in njihovih
kombinacij, s tem pa so posledično povezane tudi
tribološke lastnosti. V testih se pojavljajo različne
geometrije zobnikov in tudi različni postopki
izdelave (brizganje, frezanje), tako da jih je med
seboj težko primerjati. Pri zobnikih se pojavijo
načeloma tri faze obrabe in sicer faza utekanja,
faza enakomerne obrabe in faza povečane obrabe.
Če so obremenitve prevelike, potem se pojavi
samo faza povečane obrabe.
Če na primer neka kombinacija materialov deluje
v redu, ni nujno, da bo delovala tudi, če obrnemo
materiala gnanega in gonilnega zobnika.
Obrnjena kombinacija materialov lahko zmanjša
obratovalno dobo tudi za faktor 10 in več, kar
prikazuje slika 3.1 [8].
V okviru raziskave je bilo izdelano namensko
preizkuševališče za testiranje plastičnih zobnikov.
Naprava je zasnovana tako, da omogoča testiranje
do 4000 obr/min pri obremenitvah do 1 Nm.
Pogonski del sistema sestavlja servomotor, ki je
uležajen tako, da se lahko prosto vrti. Vrtenje mu
onemogoča senzor sile, preko katerega se nato
izračunava navor v sistemu. Zavorni del je
sestavljen iz zračno hlajene magnetne zavore
Magtrol. Pogonski in zavorni sistem sta ločeno
nameščena na vodilih, tako da preko vijakov
omogočata gibanje v x in y smereh, s čimer se
lahko nastavljajo medosne razdalje med zobniki.
Sistem je zasnovan tako, da omogoča pritrjevanje
najrazličnejših zobnikov na napravo in sicer
INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2011
Aljaž POGAČNIK1, Mitjan KALIN2, Jože TAVČAR1,2
Iskra Mehanizmi, d.d., 2Fakulteta za strojništvo, Ljubljana
preko posebnega vpenjala. Centričnost vpetja je
zagotovljena preko koničnega naseda in z
vijakom skozi gred pritrjena na gred. Naprava bo
omogočala tudi merjenje zračnosti v zobnikih in
sicer prek posebnega mehanizma, v kasnejših
fazah pa omogoča tudi vgradnjo toplotne komore
in sistema za regulacijo vlage.
Slika 3.1: Obraba pri različnih kombinacijah
gonilnega in gnanega zobnika [8].
Slika 3.2: Preizkuševališče za testiranje zobnikov.
4 SKLEP
Direktna primerjava triboloških rezultatov in
rezultatov z zobniškimi testi je omejena. Gre za
dva različna koncepta testiranj. Pri triboloških
testih želimo imeti čim krajše teste, tako da so
obremenitveni pogoji bistveno intenzivnejši kot
pri zobniških testih. En del preizkušanca je vedno
v kontaktu, tako da je toplotno in mehansko bolj
obremenjen kot v dejanskih zobniških testih. Pri
pin-on-disc testu se tudi ne pojavi histerezno
segrevanje zaradi obremenjevanja zoba, prav tako
115
TESTIRANJE USTREZNOSTI PLASTIČNIH MATERIALOV
ZA ZOBNIŠKE DVOJICE
Aljaž POGAČNIK1, Mitjan KALIN2, Jože TAVČAR1,2
1
Iskra Mehanizmi, d.d., 2Fakulteta za strojništvo, Ljubljana
se ne pojavi utrujanje materiala. Pri realnih
zobniških testih imamo na bokih zob kombinacijo
drsenja in kotaljenja, tako da so obremenitve na
materiale drugačne. Vendar kljub razlikam med
obema konceptoma testiranj menimo, da bomo
lahko že s samimi tribološkimi testi uspešno
napovedali ustreznost materialne dvojice za
zobniške pare.
Pričakujemo, da bomo s tribološkimi testi
dobili oceno triboloških lastnosti kombinacije
materialov, ki jih bomo vključili v model
preračuna zobniškega para in napovedi
življenjske dobe. Z večanjem števila izvedenih
testov bomo dograjevali model preračuna
zobniške dvojice, tako da bomo dobili prve ocene
že v fazi zasnove. V načrtu imamo, da bomo
sistematično pregledali tudi vpliv oblike bočnice
zob na življenjsko dobo zobniške dvojice.
Viri:
[1] Strong, A. Plastics-Materials and processing (third
edition). New Jersey. ZDA: Prentice Hall, 2006.
Chapter 1, 2, 8, 9
[2] Budinski, G. K., Budinski, K. M. Engineering
materials: Properties and selection (ninth edition).
ZDA: Hamilton Printing Co., 2010. Chapters 7-10.
[3] Harper, C. Handbook of Plastics Technologies – The
complete guide to properties and performance. ZDA:
Mcgraw-Hill, 1996. Chapters 1-3.
[4] Fried, J. Polymer science & technology (second
edition). New Jersey. ZDA: Prentice Hall, 2003.
Chapters 1, 2, 9, 10.
[5] Friedrich, K., Zhang, Z., Schlarb, K. A. Effects of
various fillers on the sliding wear of polymer
composites. Composites Science and Technology
2005; 65: 2329-2343.
[6] Meng, H., Sui, G., Xie, G., Yang, R. Friction and wear
behaviour of carbon nanotubes reinforced polyamide 6
composites under dry sliding and water lubricated
condition. Composites Science and Technology 2009;
69: 606-611.
[7] Senthilvelan, S., Gnanamoorthy, R. Effect of
rotational speed on the performance of unreinforced
and glass fiber reinforced Nylon 6 spur gears.
Materials and Design 2007; 28: 765-772.
[8] Mao, K., Li, W., Hooke, C. J., Walton, D. Friction and
wear behaviour of acetal and nylon gears. Wear 2009;
267: 639-645.
[9] Pogačnik, A., Kalin, M. Pregled triboloških lastnosti
plastičnih materialov za zobnike, Seminar, Fakulteta
za strojništvo Ljubljana, 2010
116
INDUSTRIJSKI FORUM IRT 2011