Characterization of TEHL contacts of thermoplastic gears

Abstract

Thermoplastic materials generally show low specific weight, low coefficients of friction, noise damping behavior and demonstrate low-cost manufacturing by injection molding. This qualifies thermoplastics for the use in lightweight gear design and more generally for an increase in resource efficiency. However, moderate thermo-mechanical material properties and detrimental accumulation of contact heat limit its applications to lowly loaded machine elements. Lubrication allows pushing these boundaries. In this work, the thermo-elastohydrodynamically lubricated (TEHL) contact of steel-thermoplastic material pairings (hybrids) is analyzed by tribosimulation and at the FZG twin-disk test rig for representative thermoplastic gear operating conditions. After a comparison to plain steel TEHL contacts, the focus is on friction, film thickness and heat management. Results show that high surface conformity leads to low hydrodynamic pressures and thus very low friction. Furthermore, local contact temperatures affect tribological performance. The considered steel-thermoplastic TEHL contact operates in the transition region between hard TEHL and soft EHL.

Zusammenfassung

Im Allgemeinen weisen thermoplastische Kunststoffe eine geringe Dichte, niedrige Reibung, ein gutes Dämpfungsverhalten und kostengünstige Produktionsmöglichkeiten durch Spritzguss auf. Thermoplastische Kunststoffe eignen sich daher für leichtbauende Zahnräder und zur Steigerung der Ressourceneffizienz. Moderate mechanische Materialeigenschaften und die begrenzte Wärmeleitfähigkeit beschränken die Anwendung jedoch auf niedrig belastete Maschinenelemente. Durch eine geeignete Schmierung kann die Tragfähigkeit erhöht werden. Im vorliegenden Bericht wird daher der thermo-elastohydrodynamisch geschmierte (TEHD) Kontakt von hybriden Wälzpaarungen von Stahl und thermoplastischen Kunststoff mittels Tribosimulation und experimentellen Untersuchungen am FZG-Zweischeibenprüfstand bei für Kunststoffverzahnungen üblichen Betriebsbedingungen analysiert. Nach einem Vergleich mit TEHD Kontakten mit einer konventionellen Stahl-Wälzpaarung, werden die Reibung, die Schmierfilmdicke und der Wärmehaushalt detailliert untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine hohe geometrische Konformität der Kontaktoberflächen, die zu niedrigen hydrodynamischen Drücken und damit zu sehr niedrigen Reibungszahlen führt. Darüber hinaus, können lokale Kontakttemperaturen das tribologische Verhalten beeinflussen. Zusammenfassend zeigt der untersuchte TEHD Kontakt einer hybriden Wälzpaarung von Stahl und thermoplastischen Kunststoff tribologische Eigenschaften, die teilweise sowohl von harten als auch von weichen TEHD Kontakten bekannt sind.