Hoe beïnvloeden materiaalinnovaties de prestaties van tandwielen?

Hoe beïnvloeden materiaalinnovaties de prestaties van tandwielen?

1. Hoogwaardige legeringen: verhogen van de belastbaarheid en duurzaamheid

• Verhoogde Sterkte : Legeringen zoals AISI 4340 (nikkel-chroom-molybdeenstaal) zijn veel sterker dan gewoon koolstofstaal. Dit betekent dat tandwielen van deze legeringen meer vermogen kunnen overbrengen zonder te buigen of te breken. Bijvoorbeeld in een vrachtwagenversnellingsbak kunnen tandwielen van hoge-sterkte legeringen de koppelkracht van de motor verwerken, zelfs bij het vervoeren van zware ladingen, waardoor het risico op tandwielstoring afneemt.
• Beter slijtagebestand vermogen : Veel legeringen bevatten elementen zoals vanadium of wolfraam, die harde deeltjes in het metaal vormen. Deze deeltjes verzetten zich tegen slijtage door wrijving, zodat de tandwielen niet zo snel verslijten. In een fietskettingset blijven de tandwielen van legering langer scherp, wat zorgt voor soepele versnelling gedurende duizenden kilometers.
• Tolerantie voor hoge belasting : Wieltandwiel in industriële machines werken vaak onder extreme belasting (hoge snelheid, zware belastingen). Legeerhouten zoals 9310 staal worden warmtebehandeld om deze belasting te kunnen weerstaan, waarbij hun vorm en prestaties in de tijd behouden blijven. Hierdoor wordt de stilstandstijd voor reparaties verminderd, wat bedrijven geld bespaart.

2. Samengestelde materialen: Licht van gewicht zonder concessies aan sterkte

• Lichte ontwerp : Koolstofvezelcomposieten zijn veel lichter dan staal of aluminium. Wieltandwielen van deze composieten verlagen het totale gewicht van de machine, waardoor de efficiëntie verbetert. In elektrische auto's betekent een lichtere wieltandwiel in de motor dat de accu langer meegaat, waardoor het bereik van de auto toeneemt.
• Sterkte-gewichtsverhouding : Composieten zijn sterk voor hun gewicht. Een koolstofvezelwielkering kan dezelfde belasting weerstaan als een stalen wielkering, maar weegt half zoveel. Dit is een groot voordeel in de luchtvaart — wielkeringen in landingsystemen van vliegtuigen moeten sterk maar licht zijn om brandstof te besparen.
• Corrosiebestendigheid : In tegenstelling tot metalen roesten of corroderen composieten niet. Wielkeringen van glasvezelcomposieten functioneren goed in natte of chemische omgevingen, zoals in maritieme machines (boten, dokken), waar zout water metaalkeringen zou beschadigen.

3. Keramische materialen: Hitte- en slijtagebestendigheid

• Warmteverdraagzaamheid : Keramiek kan temperaturen boven 1.000°C (1.832°F) weerstaan, veel hoger dan metalen. Wieloverbrengingen in straalmotoren of industriële ovens, die werken bij extreme hitte, gebruiken keramiek om smelten of vervormen te voorkomen. Hierdoor blijven de tandwielen betrouwbaar werken, zelfs bij hoge temperaturen.
• Lage wrijving : Keramische oppervlakken zijn glad, waardoor ze minder wrijving veroorzaken wanneer wieloverbrengingen in elkaar grijpen. Minder wrijving betekent minder energieverlies in de vorm van warmte, waardoor de machine efficiënter werkt. In windturbines verminderen keramische wieloverbrengingen energieverlies, waardoor de turbine meer elektriciteit kan opwekken.
• Slijtvastheid : Keramiek is harder dan de meeste metalen, waardoor het bestand is tegen slijtage door constante wrijving. Wieloverbrengingen in medische apparatuur (zoals MRI-machines) gebruiken keramiek omdat ze ook na jaren van gebruik nauwkeurig blijven, wat zorgt voor nauwkeurig functioneren van de machine.

4. Oppervlaktebehandelingen: Het verbeteren van bestaande materialen

• Harde coatings : Dunne lagen van materialen zoals titaannitride (TiN) of diamantachtig koolstof (DLC) worden aangebracht op het oppervlak van tandwielen. Deze coatings maken het oppervlak harder, waardoor slijtage en wrijving afnemen. Tandwielen met een TiN-coating in elektrische gereedschappen blijven bijvoorbeeld 50% langer meegaan dan ongecoate tandwielen, omdat ze beter bestand zijn tegen schade door constante gebruik.
• Smeerolie-infuseerde oppervlakken : Sommige behandelingen voegen kleine poriën toe aan het tandwieloppervlak, die smeermiddel vasthouden. Deze 'zelfsmerende' eigenschap vermindert de noodzaak van regelmatig oliën, waardoor de tandwielen soepel blijven draaien, zelfs met weinig onderhoud. Tandwielen in afgelegen machines (zoals terreinwagens) profiteren hiervan, omdat het lastig is om regelmatig de olie te vervangen.
• Corrosiebescherming : Oppervlaktebehandelingen zoals verchrijden (coaten met zink) of poedercoating beschermen stalen tandwielen tegen roest. Dit is cruciaal voor tandwielen in buitenapparatuur (grasmaaiers, tractoren) die blootgesteld worden aan regen en vuil.

5. Slimme materialen: Aanpassen aan omstandigheden

• Vormgeheugenlegeringen : Deze metalen (zoals nitinol) nemen hun oorspronkelijke vorm weer aan nadat ze zijn gebogen of verwarmd. Tandwielen gemaakt van vormgeheugenlegeringen kunnen hun pas corrigeren als ze licht vervormen door warmte, zodat ze goed blijven samenwerken. Dit is nuttig in machines die werken onder wisselende temperaturen, zoals industriële ovens.
• Zelfherstellende materialen : Sommige composieten bevatten kleine capsules met hars. Wanneer het wielkoppel een kleine barst krijgt, breken de capsules open en komt er hars vrij dat de barst afsluit. Dit voorkomt dat kleine beschadigingen uitgroeien tot grote storingen en verlengt de levensduur van het tandwiel. Zelfherstellende wielkoppels zijn ideaal voor kritieke systemen zoals stoomturbines in elektriciteitscentrales, waaruitval kostbaar is.

Veelgestelde vragen

Wat is het meest gebruikte materiaal voor wielkoppels?

Presteren lichtere wielkoppels altijd beter?

Hoe beïnvloeden materiaalinnovaties de kosten van tandwielen?

Kunnen tandwielen worden gemaakt van gerecyclede materialen?

Welk materiaal is het beste voor tandwielen in een warme omgeving?

Hoe verbeteren lage wrijvingsmaterialen de prestaties van tandwielen?