Témata
Reklama

Perspektivy plastových ozubených převodů

Dnes se již v technické praxi ve strojírenství běžně používají plasty, které stále častěji nahrazují kovové materiály, a to kvůli jejich chemickým, elektrickým, tepelným a mechanickým vlastnostem, jako jsou například nízká hmotnost a hustota, odolnost proti korozi, ale i ekonomičtější výroba. Nejen těchto vlastností plastů se využívá v oblasti převodových mechanismů, kde se plasty v mnoha případech osvědčily.

Prof. Josef Steidl

Emeritní profesor ČVUT v Praze. Jeho oborovým zaměřením jsou materiálové vědy a inženýrství se specializací na plasty a kompozity. Je členem Inženýrské akademie ČR, kde zastává funkci předsedy sekce Materiálové inženýrství a technologie.

Ozubené kolo se jako nejdůležitější součást strojírenských pohonů historicky stalo symbolem strojírenství vůbec. Ikona ozubeného kola již daleko překročila hranice strojírenství. S námětem ozubeného kola se setkáváme i v sochařských dílech, připomeňme např. náhrobek Emila Škody od italského sochaře Rafaela Romanneliho z roku 1903 (Plzeň) nebo sochu nazvanou „Průmysl“ od významného českého sochaře Vincence Makovského z 30. let (Praha-Vysočany). Ozubené soukolí si „zahrálo“ ve známém filmu Charlieho Chaplina Moderní doba (Modern Times, 1936). Postupem času se ozubeným kolem začalo inspirovat industriální umění, architektura i módní návrhářství (obr. 1). Ozubená soukolí jsou v reklamním výtvarnictví využívána pro znázornění koordinace, spolupráce, souhry, např. v propagaci obchodních aktivit. Umění ozubeného kola (gear art) se věnuje galerie Winzeler v Harwood Heights, stát Illinois, USA. Ozubená kola se dočkala i vlastního muzea nazvaného Geararium, založeného v roce 2011 v USA ve městě Clifton, New Jersey. Mnohé strojírenské závody (u nás např. Královopolská Brno) mají ozubené kolo ve svém logu a tato strojní součást pronikla dokonce i na státní vlajku (Angola).

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Příklad industriální bižuterie s námětem ozubeného kola. Náušnice od módní návrhářské firmy Lunch at the Ritz (USA), 80. léta, kombinace kov-plast

Ozubené kolo z plastu – symbol aplikace plastů ve strojírenství

Materiálem pro výrobu ozubených kol bylo zpočátku dřevo, později kovy, především ocel. Požadavky na moderní ozubené převody byly postupně naplňovány až s vývojem nových materiálů. Na počátku druhé světové války americká firma DuPont započala komerční výrobu prvního technického (tzv. inženýrského) termoplastu s obchodním názvem Nylon (PA 66). Tím nastal zásadní přelom nejen ve výrobě textilních vláken, ale také ve výrobě různých částí strojů a zařízení. Velmi brzy se totiž ukázalo, že nylon má vlastnosti velmi dobrého konstrukčního materiálu, kterým lze nahrazovat kovy. Tyto možnosti natolik zaujaly americkou vládu, že již během válečných let doporučila nahrazovat kovy všude tam, kde je to možné (DuPont Heritage Timeline, 2014). Z nylonu se tak začaly vyrábět různé strojní součásti, jako vačky, ventily, ložiska. Jeho vlastnosti ho ale již od počátku jeho existence předurčovaly pro aplikace na ozubené převody. Plastové ozubené kolo v současné době symbolizuje aplikaci plastů ve strojírenství a stalo se pevnou součástí historického vývoje ozubených převodů.

Přínos plastů pro ozubené převody:
• snížení hlučnosti;
• menší opotřebení;
• lepší kluzné vlastnosti;
• samomaznost;
• malá hustota a tedy menší setrvačné síly;
• odolnost proti korozi;
• schopnost tlumení vibrací a rázů;
• ekonomičtější výroba;
• větší konstrukční volnost a variabilita řešení;
• možnost kombinací s kovem.

Žádný plast však neposkytuje zcela optimální kombinaci vlastností potřebnou pro konkrétní ozubený převod. Je proto nutné vždy zvážit, jaké vlastnosti se od ozubeného převodu budou požadovat především.

Hlučnost – konkurenceschopnost výrobků

Stále větší tlak je obecně vyvíjen na zlepšování životního prostředí, jehož negativní složkou je i hlučnost strojů, zařízení a jiných výrobků s mechanickými nebo elektromechanickými pohony. Významem hlučnosti strojů pro životní prostředí se zabývají směrnice EU 2000/14/ES a 2006/42/ES. Této problematice se věnoval i mezinárodní seminář s názvem „Tiché stroje – vyšší konkurenceschopnost a lepší zdraví“, konaný v  roce 2013 v Bruselu, a jeho závěry naznačují, že hlučnost je nutno chápat jako jedno z kritérií konkurenceschopnosti výrobků. Plastové ozubené převody ke snižování hlučnosti významně přispívají. Hlučnost plastových ozubených převodů je závislá na kombinaci materiálů, ze kterých jsou soukolí vyrobena. Jako příklad lze uvést, že hlučnost čelního ozubeného soukolí plast-ocel je zhruba třikrát menší než u soukolí ocel-ocel. V případě čistě plastových převodů se třeba prokázalo, že kombinace POM-POM je hlučnější než PA-POM.

Obr. 2. Plastový ozubený převod mechanismu nastavování výšky automobilového sedadla. Winzeler Gear, USA

Podstatné jsou i náklady na výrobu. Technologie vstřikování je oproti obrábění cenově výhodnější, zvláště u velkosériové výroby nebo v případech, kdy obrábění z kovu by bylo značně komplikované a cenově nevýhodné, jako u kol s vnitřním ozubením, skupinových ozubených převodů nebo u šnekových soukolí (obr. 2). Technologie vstřikování umožňuje integraci ozubeného převodu s pružinami, západkami, s kovovými zálisky (např. ozubená kola s ocelovým nábojem (obr. 3). Náklady uváděné na výrobu plastových ozubených převodů jsou nižší o 50 a více procent než u kovových převodů vyráběných obráběním. U kusové nebo malosériové výroby, kdy se nevyplatí pořizovat vstřikovací formu, se však ozubená kola obrábějí, a to z vytlačeného profilu, desky nebo z odlitého bloku (u polyamidu).

Omezení pro aplikace plastů

Navrhování plastových ozubených převodů je obecně komplikovanější než v případě kovů. Je zapotřebí brát v úvahu, že všechny vlastnosti rozhodující pro funkci ozubených převodů jsou závislé na teplotě, a to v rozmezí, ve kterém se vlastnosti ocelí téměř nemění. Z mechanických vlastností je to především pokles tuhosti (modulu pružnosti) v závislosti nejen na teplotě, ale i čase, obsahu vlhkosti a také vlivem chemického prostředí. Dále to je rozměrová stabilita, která se dá jen velmi obtížně charakterizovat vzhledem k množství proměnných, které na ni mají vliv. Kromě teploty jsou to vlhkost, chemické prostředí, podmínky výrobního procesu a přirozeně součinitel délkové teplotní roztažnosti. Ten je sice součástí srovnatelných jednobodových hodnot (ČSN EN ISO 10350-1), nicméně sám o sobě není postačující pro předpověď rozměrových změn v daném provozním prostředí. Teplotní limity jsou u polymerních materiálů charakterizovány v rámci jednobodových hodnot teplotou skelného přechodu u amorfních polymerů (Tg), teplotou tání u krystalizujících polymerů (Tm), dále teplotou průhybu při zatížení (HDT) a teplotou měknutí dle Vicata. Všechny uvedené charakteristiky jsou založeny na krátkodobých zkouškách. Vliv časového faktoru byl zaveden zkušebními laboratořemi Underwrites Laboratories (Illinois, USA). Norma UL 746B zavádí relativní teplotní index (RTI) jako teplotu, při které dojde k 50% poklesu sledované vlastnosti za dobu 100 000 hod. Časová extrapolace experimentálních dat je založena na grafickém vyjádření Arrheniovy rovnice. Tato teplota se stala kritériem pro trvalou provozní teplotu plastů. Pro vybrané polymerní materiály přiložená tabulka porovnává hodnoty RTI s jejich teplotami tání. Spolu s tím jsou uvedeny i další materiálové charakteristiky důležité pro ozubené převody. Cyklické namáhání ozubených převodů nastoluje otázku znalosti únavových křivek plastů, které jsou pro daný případ uvažovány. Je nutno zdůraznit, že plasty nevykazují mez únavy jako u oceli.

Obr. 3. Plastová ozubená kola s ocelovým nábojem. Intech Power-Core, USA

Druhy plastů na ozubené převody

K rozvoji plastových ozubených převodů přispěly především dva polymery:

Polyamid 66 (PA 66). Vyznačuje se velkou houževnatostí a odolností proti opotřebení jak proti kovům, tak plastům. Vrubová houževnatost byla jeho původní slabinou, kterou se podařilo materiálově vyřešit až v roce 1973. Vzhledem k vysoké navlhavosti a změnám vlastností s obsahem vlhkosti není PA 66 vhodný pro vysoce přesná a rozměrově stabilní ozubená soukolí. V současné době se vyrábí v řadě modifikací, jejichž cílem je dále zlepšovat funkční vlastnosti a eliminovat ty vlastnosti, které omezují jeho použití na náročnější aplikace.

Acetalový polymer POM (polyoxymetylen), komerčně vyráběný od počátku 60. let. Kombinace jeho vlastností je v řadě kritérií pro aplikace na ozubená kola vhodnější než PA 66. Podíl krystalické fáze je u něho podstatně větší, nasákavost je několikanásobně menší. Vyznačuje se velmi dobrou rozměrovou stabilitou, houževnatostí, odolností proti únavě a creepu, korozní odolností v širokém rozmezí teplot. Malý součinitel tření proti kovům i plastům a existence nehlučných modifikací (non-squeak grades) mu dávají charakter univerzálního plastu na ozubené převody.

Rozvíjející se sortiment konstrukčních termoplastů rozšiřoval materiálové portfolio pro ozubené převody:

Lineární polyester polybutylentereftalát (PBT) má lepší rozměrovou stabilitu než PA 66 i POM. Předností je rovněž vysoce kvalitní povrch vstřikovaných ozubených převodů a velmi dobré kluzné vlastnosti proti POM i kovům bez použití lubrikantů. Ve výrobě ozubených převodů se uplatňuje i polyetylentereftalát.

Postupným vývojem polyamidů se v aplikační oblasti ozubených převodů začaly prosazovat i další typy polyamidů, jako PA 6, PA 12, PA 612 nebo PA 46. Obecně největším problémem u polyamidů jsou změny vlastností a rozměrů v závislosti na vlhkosti.

Polyfenylensulfid (PPS) se vyznačuje velmi dobrou rozměrovou stabilitou v širším rozmezí teplot a odolností proti cyklickému namáhání. Využívá se zejména na převody v korozním prostředí za vyšších teplot.

Polyetereterketon (PEEK) má vynikající mechanické, tepelné i chemické vlastnosti.

Oba jsou využívány na ozubená soukolí pro náročné teplotní a korozní podmínky.

Všechny uvedené materiály krystalizují, největší stupeň krystalinity dosahuje POM (70–80 %), u ostatních se krystalinita pohybuje v průměru mezi 35 a 50 procenty. Snahou je, aby zpracovatelské podmínky dovolily krystalizaci v co největší míře, protože dodatečná krystalizace v průběhu provozu znamená i dodatečné smrštění. V některých případech je nutné tepelné zpracování k dosažení rovnovážného podílu krystalické fáze a tím i zajištění rozměrové stability. Plasty na bázi amorfních polymerů mají oproti krystalizujícím polymerům omezené předpoklady pro použití na ozubené převody z důvodu špatných tribologických vlastností, malé odolnosti proti únavě a creepu, nevyhovující chemické odolnosti, horší rozměrové stabilitě apod. Přesto se lze v praxi s těmito materiály ve formě ozubených soukolí také setkat (polykarbonát, ABS aj.).

Ve zvláštních případech se uplatňují kapalně krystalické polymery (LCP), zejména na výrobu jemných, velmi přesných převodů s vysokou korozní odolností, rozměrovou stabilitou a dlouhou životností, např. v hodinových strojcích. Na vysoce náročné převody, u kterých není podstatná cena, se rovněž používají polyimidy. Termoplastický elastomer nastříknutý na povrch plastového ozubení slouží k eliminaci hlučnosti, tlumení rázů a kompenzaci rozměrových nepřesností.


Pro zvětšení klikněte na tabulku

Pro dosažení lepších vlastností potřebných pro aplikace na ozubené převody se základní polymery modifikují. Zlepšení mechanických vlastností, teplotní odolnosti a rozměrové stability se dosahuje plněním skleněnými a aramidovými vlákny, zlepšení třecích vlastností se dosahuje přídavkem vláken PTFE, silikonů nebo chemických lubrikačních prostředků. Pro zlepšení tribologických vlastností se využívá i technologie radiačního síťování.

Nezastavitelný vývoj

Několik desetiletí dostatečně prověřilo aplikace plastů na ozubené převody, plasty si v tomto směru bezpochyby získaly důvěru. Dokládá to množství firem, které se ve světě výrobou plastových převodů v současné době zabývají. Výběr plastů se od dob, kdy tuto aplikační oblast pokrývaly PA 66 (Nylon) a POM (Delrin) výrazně rozšířil, jednak o množství jejich modifikací, jednak o nové typy polymerů. Pozorovat lze dynamický rozvoj s cílem vyrábět geometricky složitější ozubené převody, s větším stupněm přesnosti, větších rozměrů, přenášejících větší krouticí momenty a nebo naopak převody miniaturizovat. Nároky na větší spolehlivost, menší vibrace, hluk a jeho ostrost (označuje se zkratkou NVH – noise, vibration, harshness), samomaznost a menší výrobní náklady dávají plastovým převodům perspektivu s nemalým podílem na zvyšování konkurenceschopnosti výrobků. Plastové ozubené převody se stávají významným inovačním prvkem přinášejícím prospěch jak zákazníkovi, tak výrobci. Je na konstruktérech, jak této nabídky využijí.

Článek je věnován památce Ing. Milana Vaňka (1934–2012), předního odborníka v oblasti aplikací plastů ve strojírenství a konzultanta výuky plastů a polymerních kompozitů na Ústavu materiálového inženýrství Fakulty strojní ČVUT v Praze.

prof. Ing. Josef Steidl, CSc., FEng.

jose.steidl@gmail.com

Reklama
Vydání #7,8
Firmy
Související články
Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Lineární vedení NSK s vylepšeným těsněním

Společnost NSK představila na veletrhu EMO 2019 optimalizovanou řadu válečkového vedení RA s vylepšeným těsněním. Lineární vedení RA jsou vybavena novými těsněními V1 a vylepšeným krytem, které pomáhají prodloužit životnost a spolehlivost obráběcích strojů.

Místo převodovky řemenové pohony

Synchronní řemeny se v mnoha průmyslových odvětvích prosazují jako nejlepší volba.

Související články
Řemenové převody přinášejí dynamiku do intralogistiky

Na hannoverském veletrhu se mohli návštěvníci seznámit s inovativními řešeními pro skladovou logistiku, jež vyvinula společnost Continental. Jedná se například o ozubené řemeny Conti Synchrodrive, které nacházejí uplatnění u sloupových zakladačů vysokoregálových skladů, ploché pásy Conti Polyflat pro zdvihací a závěsné systémy či drážkové řemeny Conti Multirib, které se používají v pohonu válečkových tratí.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Ready made lineární osy s ozubeným řemenem

Pomocí lineární osy je realizován pohyb v přímém směru a jedná se tak o výborný výchozí konstrukční prvek pro stavbu strojů, automatizačních linek a polohovacích zařízení s potřebou přesného lineárního pohybu ve více osách (typicky například CNC stroje). V posledních letech došlo navíc k výraznému snížení cen a lineární osy se tak stávají dostupné i pro dosud zapovězené oblasti. V neposlední řadě je podstatnou výhodou u tzv. ready made produktů dodávka již smontovaného dílu připraveného k okamžitému použití v zákaznické aplikaci.

Nová koncepce dvoupotrubních centrálních mazacích systémů

Oproti jiným typům ztrátových centrálních mazacích systémů, dále jen CMS, mají dvoupotrubní mazací systémy zásadní přednost v tom, že dávkovače jsou plněny novým mazivem přetlakově. To je předpoklad pro spolehlivé mazání strojů a strojních zařízení.

Kompaktní pohony s dutou hřídelí

Kompaktní, robustní, cenově výhodné… Jsou-li stanoveny požadavky na stroje, musí zareagovat i poskytovatelé řídicí a pohonné techniky. Jejich inovace jsou důležité pro vývoj konstrukcí strojů.

Inteligentní motor střižený na míru

Mechatronická pohonná jednotka g350 představuje nový kompaktní mechatronický pohonný balíček, který firma Lenze uvádí na trh ve třech výkonnostních provedeních. Zařízení je koncipováno speciálně pro horizontální přepravní techniku.

Bezúdržbové klínové řemeny

U klínových řemenů uživatelé oceňují tichý chod, jednoduchou instalaci a funkci bezpečnostní spojky při přetížení, kterou klínové řemeny plní díky možnosti krátkodobého prokluzu. Nicméně klínové řemeny vyžadují ne vždy levnou a snadnou údržbu. Obzvláště v nepřetržitých provozech či těžko dostupných pohonech se obecné doporučení kontrolovat a dopínat klínové řemeny každých 2 000 provozních hodin obtížně splňuje. Výsledkem bývají ztráty účinnosti, energie a krátká životnost pohonu. Klínové řemeny, jak je známo, bez dopnutí prokluzují. Co ale bývá zanedbáváno, je vliv zvýšených vibrací při nízkém napnutí klínových řemenů. Tyto vibrace mají velmi negativní vliv na životnost ložisek a jiných součástí zařízení. Zde se zaměříme na správnou údržbu a na novinku na trhu – bezúdržbové klínové řemeny.

Výpočet zbývající doby běhu valivých ložisek

Na veletrhu Hannover Messe 2016 představila společnost Schaeffler novou digitální službu – výpočet nominální zbývající doby běhu valivých ložisek v provozu na základě reálného souboru zatížení.

Univerzální kyvný pohon

Modulární, odolný, univerzální – to jsou hlavní vlastnosti nového čtvrtotáčkového pohonu DFPD společnosti Festo. Tento pohon s ozubeným hřebenem a pastorkem je určen pro splnění nejrůznějších požadavků ve zpracovatelském průmyslu.

Ložiska pro lineární pohyb

Během posledních let se neustále zvyšují nároky na moderní lineární technologii, zejména pokud jde o únosnost, tuhost a životnost. Souběžně však rostou rovněž požadavky uživatelů na jednoduchost montáže a snižování nákladů na údržbu. Aby firma SKF dokázala uspokojit všechny tyto požadavky zákazníků, přichází na trh s novou řadou D lineárních kuličkových ložisek LBC.

Certifikace testovacího postupu pro výpočty životnosti valivých ložisek

Certifikátor Germanischer Lloyd (GL) udělil společnosti Schaeffler osvědčení „Assessment of the method to investigate rolling bearing rating life“ (Posouzení metody zjišťování jmenovité životnosti valivých ložisek). Poprvé tak byl certifikován samotný postup, a ne každý jednotlivý faktor ovlivňující životnost, jak bylo dosud vyžadováno.

Požadavky na vývoj ložisek

Malcolm Watson, produktový manažer v oblasti ložisek u společnosti Brammer, zkoumá hlavní faktory stojící za současným děním na trhu ložisek a přemýšlí o dalším pravděpodobném vývoji.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit