PEEK齿轮案例学习：KetaSpire® PEEK执行器齿轮提升执行器效率


执行器系统的行业应用与核心需求

执行器系统广泛应用于汽车、航空航天、国防及可再生能源等领域，具体场景包括电子油门控制、控制器襟翼、起落架控制及叶片俯仰调节。其核心功能是将电信号转化为机械运动，因此精密性与可控性成为设计的核心优先级

执行器齿轮的关键作用与材料挑战

执行器齿轮是运动控制系统中的核心部件，负责管理扭矩与转速以实现精准运动。材料选择对优化齿轮性能至关重要。以Syensqo的KetaSpire® PEEK为代表的高性能热塑性材料，具备以下优势：

  • 轻量化

    ：相比金属齿轮减重超25%；

  • 低噪音、振动与声振粗糙度（NVH）

    ：塑料齿轮的弹性模量较低，可降低运行噪音；

  • 效率提升

    ：通过减少摩擦和能量损耗实现更高传动效率。

图1展示了Allegheny Performance Plastics采用KetaSpire® PEEK KT-820 SL 20材料制造的执行器齿轮。

1754051191139090.jpg

图1：执行器齿轮（图片来源：阿勒格尼高性能塑料）

材料选型与性能验证流程

1. 环境适应性评估

需优先评估材料在极端温度、化学腐蚀等环境下的稳定性。此外，关键的设计考虑因素还包括施加的扭矩、转速、耐磨性和润滑性。最终，齿轮必须能够承受预期的设计载荷以及整个使用寿命期间的任何过扭矩情况。


例如，KetaSpire® PEEK可耐受240°C连续工作温度，并在腐蚀性介质中保持性能

2. 机械性能建模与仿真

  • 载荷能力分析

    ：通过Wohler曲线对比材料（如Torlon® PAI与KetaSpire® PEEK）的单齿弯曲强度（图2a）

    0002.png


  • 及磨损相关失效模式（图2b）。

    0003.png



  • 有限元分析（FEA）

    ：使用Abaqus进行机械应力分析，结合KISsoft齿轮设计标准模拟应力分布（图3、图4）。
    图2a：单齿弯曲齿轮载荷条件

    0004.png

  • 图2b：含磨损失效模式的齿轮载荷条件

  • 640.png


3. 实际工况验证

实验室测试需模拟真实齿轮啮合条件，验证材料在循环负载下的耐久性。例如，低循环次数场景下，单齿弯曲数据（图2a）更具参考价值。

聚合物齿轮的革新优势

NVH性能提升


塑料齿轮的弹性模量较低，可通过设计补偿根部强度，使其在容忍更高传动误差的同时保持低噪音。此外，塑料的阻尼特性可减少振动传递，降低结构疲劳风险（图5）。
图5：不同材料组合的NVH对比

0006.png

a) 钢-钢与钢-Torlon® PAI 7130啮合频谱
b) 钢-Torlon® PAI 7130组合的NVH降低效果

效率与寿命优化

  • 轻量化设计

    ：减少惯性负载，提升动态响应速度；

  • 摩擦优化

    ：自润滑特性降低能量损耗；

  • 热管理

    ：耐高温性能减少散热系统需求。

产业链协作与技术落地

Syensqo与材料加工专家（如Allegheny Performance Plastics）合作，通过以下步骤确保齿轮性能：

  1. 材料选型

    ：基于应用环境与负载需求匹配树脂牌号（如KT-820 SL 20）；

    KT-820 SL10,KT-820 SL20,KT-820 SL45,KT-880 FW30,

  2. 虚拟建模

    ：利用FEA有限元分析与齿轮专用软件优化设计；

  3. 原型验证

    ：通过注射成型快速迭代，验证实际工况表现。

结论

总而言之，选择最佳的聚合物齿轮材料（例如 KetaSpire® PEEK 或 Torlon® PAI）可以带来显著的系统级优势，包括减轻重量、改善 NVH 和提高效率。与 Syensqo 这样的材料供应商以及材料加工（注塑成型）专家合作，对于确保将必要的操作条件纳入考量、使用齿轮软件进行虚拟建模以及制作原型至关重要。这三个步骤都有助于确保齿轮材料、设计和工艺能够确保其在应用和系统中的整体性能。结合材料供应商的技术支持与精密加工工艺，可显著提升执行器效率，推动新能源汽车、航空航天等领域的创新突破。