塑胶齿轮设计及材料推荐

时间:2020-9-14 编辑:james_liu

塑胶齿轮设计及材料推荐

塑料齿轮已在范围广泛的应用中确立了传统金属齿轮的重要替代品的地位。塑料齿轮的用途已经从低功率低精度传动发展到要求更高的动力传输领域。随着设计师们不断拓展塑料齿轮的应用范围,人们对于塑料在齿轮设计中的表现和如何利用塑料的独特性能也有了更多的了解。

塑料齿轮具有许多金属齿轮所没有的优点。与金属齿轮相比,它们重量更 轻、惯性更小、运转时噪音更低。塑料通常齿轮不需要润滑,或者可以添 加PTFE或硅油这样的内部润滑剂。塑料齿轮通常比金属齿轮的单位成本更 低,而且在设计时可以结合考虑其他组装性能。此外,这些齿轮还能运用 于许多腐蚀性环境。

热塑性塑料齿轮的最早用途无疑是制造低负载低转 速的纯尼龙和乙缩醛齿轮。随着使用热塑性塑料齿 轮的优点日益明显以及性能更高的新材料的相继问 世,设计师们开始把塑料齿轮用于具有更高要求的 应用场合。而把增强材料和内部润滑剂复合到这些 材料中,则进一步扩大了塑料齿轮的应用范围。

由于缺乏系统的负载承受能力和磨损性能方面的数 据—至少同随处可得的金属齿轮/材料性能数据相比 情况如此,热塑性塑料在齿轮方面的应用遇到了阻 碍。金属材料的数据通过无数次成功的应用已经得 到积累和确认,并为大多数齿轮设计师所熟知。而 热塑性塑料用作齿轮材料的时间较晚,尚没有充分 的时间来整理大量的负载等级数据,并且热塑性塑 料的独特的机械和热学性能也使得那些尝试通过更 易于获得的信息来推导这些数据的人士无功而返。

尽管如此,还是有一些原则可以用来估测在齿轮中 使用热塑性塑料的技术可行性。这些技术大多是从 原先通过金属测试得出的公式演变而来的,因此没 有考虑到热塑性塑料所具有的某些独特行为。

本篇文章 笔者将尝试揭示在使用这些公式和技术来评价热 塑性塑料齿轮时必须考虑的一些要素。

本文重点将 放在正齿轮上,然而文中涉及的基本观点也可以扩 展运用于其他类型的齿轮。

齿轮的类型和排列

齿轮有很多种不同的类型,最方便的方法是按照齿 轮轴交叉的方式进行分类。如果齿轮轴平行,则需 要用到正齿轮或斜齿轮。如果两个齿轮的轴成直角 交叉,那么通常使用伞形齿轮齿轮和蜗轮。如果两 个齿轮的轴既不成直角交叉,又不平行,那就使用 相错轴斜齿轮、蜗轮、准双曲面齿轮和锥蜗轮。最 常见的塑料齿轮是正齿轮、斜齿轮和蜗轮,但是如 果需要,也可能使用其他类型的齿轮。

单独一个齿轮无法发挥什么作用,所以齿轮要成对使 用。当两个齿轮的齿互相啮合时,一个齿轮的转动将 使另一个齿轮也跟着转动。如果两个齿轮的直径不 同,直径较小的齿轮(称为小齿轮)将比直径较大的 齿轮(称为主齿轮)转动得更快,且旋转力更小。

轮(图1)。如果轮齿指向轴的方向,则齿轮是内啮合 正齿轮 (图2)。正齿轮相对来说设计简单,制造也 容易。正齿轮只对其轴承施加径向负载,可在各种 不同的中心距上运转,这使正齿轮比较容易安装。大多数设计师使用20°的压力角,但是22 1/2°和25°的压力角也很常见。压力角大于20°的齿轮有 较大的负载能力,但转动起来不太平稳,噪音也较 大。

斜齿轮与正齿轮相似,但其齿面与齿轮轴成一个夹 角 (图3)。事实上,一个螺旋角为零的斜齿轮就是 正齿轮。在既要求高速又要求高负载的情况下,可 以使用斜齿轮。单斜齿轮既施加轴向负载,又施加 推力负载,因此安装不那么简单,但是与正齿轮相 比,转动起来噪音较小,也更平稳。为了抵消推力 负载,通常将螺旋方向相反的几个斜齿轮安装在同一 个轴上。这样的齿轮称为双斜齿轮 (图4)。

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齿轮行动

锥齿轮呈圆锥状,在齿的厚度和高度方向都是锥形 的。轮齿的一端大,另一端小。虽然轮齿的尺寸是 按照齿的较大一端列出的,但强度计算要以轮齿的 中部截面为依据。

最简单的锥齿轮的类型是伞形齿轮(图5)。这些齿 轮通常用于成90°相交的轴上,但是可以在几乎任 何角度下运转。这样的齿轮既施加推力负载,又施 加轴向负载,必须安装得很准确才能正常工作。虽 然塑料的锥齿轮并不很常见,但是设计师们已开始 研究其用途。其他类型的锥齿轮还有螺旋锥齿轮和 零度锥齿轮。

端面齿轮是一种特殊类型的齿轮,它的轮齿镶嵌在 齿轮的端面上(图6)。在端面齿轮上,轮齿与齿轮 的轴指向同一方向。端面齿轮可以同正齿轮或斜齿 轮啮合。像锥齿轮一样,两个齿轮的轴必须交叉, 轴的角度通常是90°。

有三种类型的齿轮通常被称为蜗轮。蜗轮可以安装 在非交叉、非平行的轴上;然而最常见的排列是非 交叉、成90°的轴。蜗轮的特征是其中一个部件有 螺纹。这个部件称为蜗杆(图7)。与蜗杆配合的齿轮 称为蜗轮。

在塑料齿轮设计中,金属(或偶尔是塑料)蜗杆与 塑料斜齿轮相配合是十分普遍的。这种排列实际上 被称为非包络蜗轮或相错轴斜齿轮。相错轴斜齿轮 安装在彼此不交叉但成一个角度(通常是90°)的两 根轴上。相错轴斜齿轮对它们的轴承既产生轴向负 载,又产生推力负载。

相错轴斜齿轮组能够经受中心距和轴间角的小变动 而不会影响齿轮的精度。这个特点使它成为最容易 安装的齿轮之一。

可惜的是,相错轴斜齿轮只有点接触,因此不能承 受很高的负载。然而,如果齿轮能够磨合一段时间 而不失效,点接触变成了线接触,这就更像单包络 蜗轮,这时承载能力会增大。这是将金属蜗杆与塑 料斜齿轮配合使用的原因之一。斜齿轮首先磨损,然后变成一个标准的蜗轮。把金属蜗杆与塑料蜗轮 或塑料斜齿轮配合使用的另一个原因,是有助于消 除蜗轮组可能产生的大量热量。塑料蜗轮由于与热 有关的因素而失效的情况并不罕见。

真正的蜗轮组可分为单包络或双包络蜗轮。在单包 络蜗轮组中,蜗轮有一个带喉齿廓,它包围着蜗 杆,就像螺母包围着螺纹一样(图8)。这就比类似 的斜齿轮有更大的接触面,从而把承载能力增大 了2–3倍。在双包络蜗轮中,蜗杆(图9)和蜗轮都带 喉,并且互相包围。模塑带喉的蜗杆或蜗轮是很困 难的,因此,蜗杆和斜齿轮(交错轴螺旋齿轮)的组 合最为常用。

齿轮的运动

在我们开始分析塑料齿轮中的应力之前,理解齿轮的运动是很重要的。事实上,每个轮齿都是一根在 一端有支撑的悬臂梁。接触点会产生使这种梁弯曲 并从整块材料上剪切下来的力。

因此,齿轮材料应该有很高的抗弯强度和刚性。

另一个作用主要是表面作用。由于摩擦力和点接触 或线接触(赫兹接触应力),在轮齿的表面产生了应 力。在齿轮运动的过程中,轮齿互相滚压,同时互 相滑过。当轮齿进入啮合状态时,有一个初始接触负 载。齿轮的滚动运动会在接触点之前产生接触应力 (这是一种特殊的压应力)。同时会发生滑动,因为 轮齿的啮合部分的接触长度是不相同的。这就造成 了摩擦力,它刚好在接触点的后面形成一个拉伸应 力区。在图10中,标有R的箭头显示滚动方向,而 标有S的箭头显示滑动方向。在这两种运动方向相反 的地方所形成的力,正是大多数问题的根源。

在图10a中,两个齿轮刚刚开始接触。在驱动齿轮 的点1上,材料受到来自滚动运动的压力,方向朝着 节点;同时由于对滑动运动的摩擦阻力,这个点又 受到拉伸,方向背向节点。这两种力的共同作用可 能会造成表面开裂、表面疲劳和热量积聚。所有这 些因素都可能导致严重磨损。

在从动齿轮的点2上,滚动和滑动的方向相同,都 朝着节点。这使点2处的材料受到压力(来自滚 动),而使点3处的材料受到拉伸(来自滑动)。这种情况不如在驱动齿轮上严重。

齿轮设计

在图10b中,我们看到两个齿轮之间接触的末端。滚 动运动仍然为相同方向,但是滑动运动已经改变了 方向。现在从动齿轮的基部承受的负载最大,因为 点4既要承受压力(由于滚动)又要承受拉伸(由于 滑动)。驱动齿轮的齿顶所受的应力不那么严重,因 为点5受到压应力,而点6受到了拉伸应力。

在节点上,滑动力改变了方向,从而形成了滑动零 点(纯滚动)。有人可能会认为齿轮的这个部位的表 面失效是最小的,然而,实际上节点是最先发生严 重失效的区域之一。节点虽然没有受到复合应力, 却承受了很高的单位负载。在齿轮刚刚接触或接触 结束时,前一对轮齿或后一对轮齿会承受一些负载,因此单位负载也会减少一些。最高的点负载出现在 两个齿轮在节线处或稍高于节线的位置刚刚接触的 时候。在那个点上,全部或大部分负载通常都由一 对轮齿来承受。这可能导致疲劳失效、严重的热量 积聚和表面性能退化。

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材料

齿轮材料有一些基本要求。材料必须具有足够强度 以传递齿轮轮齿负载,并对配合齿轮的材料具有良 好的耐磨损性和耐摩擦性。对于某些应用,耐冲击和耐腐蚀性能也至关重要。齿轮设计师必须仔细评估齿轮需要满足的要求(环境要求和力学要求),并将这些要求与要使用的材料的相关性能进行比较。

如前文所述,用于评估齿轮的值极少可在数据表中找到。标准机械性能和物理性能的评估条件极少会出现在齿轮的工作条件中。如果有各种温度和疲劳 度下的工程性能(如应力-应变同步曲线、拉伸蠕 变或弯曲疲劳)数据,则可以更好地预测材料的行为。但即使有所需的数据,我们仍强烈建议进行原型试验。

虽然大多数磨损数据并不直接适用于齿轮应用,但通过圆盘、环-块或盘-销磨损数据仍可以对可能的 备选材料进行比较分级。在热塑性合成材料相对于 钢和其他金属(铝、铜等)方面,以及热塑性合成 材料在室温和高温方面,已经得到了大量的圆盘实验数据。这种数据可用于筛选齿轮原型的潜在备选 材料。未填充的Nylon6/6的磨损系数200是用于确定某种合成材料是否具有合格磨损率的基准。大于200的磨损系数表明材料具有不可接受的高磨损率,因此不适用于大多数齿轮应用。低于200的磨损系数表明它是一种潜在可行的齿轮材料。

在选择齿轮材料时应使用的另一个数字是限定性PV(压力-速度)值。这个数字表示一种合成材料 的负载或速度极限。在PV测试中,旋转轴承上的负 载会逐渐递增,直至失效。考虑到安全系数,通常 取PV极限值的50%作为最大值来选择合成材料。有 关更完整的对圆盘和PV极限值测试的说明,请参阅LNP*内部润滑热塑性塑料指南。未填充的聚甲醛和 未填充的Nylon6/6是最先在齿轮中普遍使用的两种 热塑性塑料。这些结晶树脂具有良好的内在耐磨损 性, 较低的摩擦系数和良好的耐化学腐蚀性。但是, 它们的成型收缩率高,速度/负载能力低,限制了潜 在的应用范围。如今,许多新的热塑性树脂已经被 合成出来,它们带有内部润滑剂,可以提高耐磨损 性和降低摩擦,并且采用增强材料提高了强度。

润滑添加剂

最广泛使用的润滑剂有PTFE粉末(聚四氟乙烯)和硅油。PTFE颗粒通过磨损表面之间的剪切产生粘着, 从而产生一种PTFE薄膜,它可转移到配对磨损表 面上。这种PTFE对PTFE的转移薄膜会明显降低摩擦 系数和磨损率。例如,当在PEI(聚醚酰亚胺中添加15%PTFE进行润滑时,动态摩擦系数会从0.51降低 到0.30,磨损系数会从3940降低到106。由于这种 非晶树脂的磨损系数低于200,可以考虑将其作为 潜在的齿轮备选材料(图30)。非晶树脂之所以重 要,是因为在模具中它们比结晶树脂具有更低的收 缩率,可以用来模塑生产精度更高的齿轮。

另一种常见的润滑剂,即硅油,可以迁移到磨损接 触面,并在起动时即开始在界面上存在。硅油可以单独使用,如果结合PTFE,磨损系数更低。用2%硅 油润滑的聚碳酸酯的磨损系数 会从2500降低到386。将13%的PTFE和2%的硅油结合使用可进一步将磨损系 数降低到42。PTFE/硅油组合可以改善高速下的性 能,通常被用于会产生失稳速度(Oscillating Speed)或齿轮跳动(Oscillating Motion)的情况。

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增强材料

复合到树脂中的增强纤维(如玻璃纤维、碳纤维或芳香族聚酰胺纤维)可以提高材料的机械性能。碳纤维增强材料可最大程度地提高机械强度和刚度,玻璃纤维的增强效果次之,芳香族聚酰胺纤维再次之。仅添加增 强纤维一项即可明显降低大多数树脂系统的磨损系数(表3)。结合使用PTFE和纤维增强材料更可进一步降低 磨损系数。对于具有典型纤维添加量(玻璃纤维和碳纤维30%,芳香族聚酰胺纤维15%)并添加15%PTFE润滑 剂的Nylon 6/6,磨损系数将降低到20以下。

玻璃纤维和碳纤维的主要缺点是可能会在模具中诱发各向异性收缩,而降低齿轮精度。芳香族聚酰胺纤维 则表现出更高的各向同性,流动方向和横向收缩率之间差异很小。粒状填料(如辗碎的玻璃或玻璃珠)可 改善具有极少增强纤维的合成材料配方,而不会加剧收缩的不均匀性。但是,这些材料通常会降低机械性 能,并使磨损率上升。

对增强合成材料的改进之一是使用长纤维技术,这大大提高了取代金属齿轮的可能性。包含玻璃纤维和PTFE的长短玻璃纤维增强Nylon 6/6的性能比较显示了使用长纤维增强材料在抗弯强度和冲击强度上明显 改善。由于降低了纤维末端的数量,因此磨损率不会明显提高。在某些齿轮应用中,其较高的强度和抗冲 击性能使得轮齿在高扭矩条件下的强度和耐疲劳性能都得到改善。

齿轮组合

塑料齿轮的磨损在很大程度上取决于相对的那个齿轮。对于金属齿轮组合中的塑料齿轮,合成材料在相 对较硬的金属上的磨损可能会与在软金属(如铝和铜)上的磨损不同,具体情况又因配方而 异。金属齿轮的表面光洁度也会影响塑料齿轮的磨损。从耐磨的角度来说,金属-塑料齿轮组合中金属齿轮 表面光洁度的适宜范围为12-16 μin。

例如,请看以下两种Nylon 6/6配方:一种配方为30%碳纤维增强、15% PTFE润滑的Nylon 6/6,另一种配 方为10%芳香族聚酰胺纤维增强、10% PTFE润滑的Nylon 6/6。两个配方对钢的磨损系数都为13。但是, 对于铝,碳纤维配方的磨损系数为175,而芳香族聚酰胺纤维配方的磨损系数为45。另一个重要的事实是,铝轴与碳纤维增强的合成材料的磨损系数(95)要比与芳香族聚酰胺纤维合成材料的磨损系数(4) 更高。芳香族聚酰胺纤维增强适用于软金属和粉末金属,因为它们可帮助降低磨蚀性金属颗粒的生成。

塑料对塑料磨损

对于塑料-塑料齿轮组合,合成材料的选择变得更加复杂。这些磨损组合极难预测,只能通过测试才能确 定。通常,尽管有某些热塑性合成材料在同种材料之间具有良好的耐磨性,但找到使用异种材料的可接受 磨损组合会更容易一些。

在许多情况下,具有天然润滑性的材料的磨损率都很高。当未填充的芳香族聚酰胺(通常视为具有很好的 天然润滑性)与相同材料配合使用时,磨损系数在10,000以上。但加入20%的PTFE后,在与同种材料配合 使用时,会得到40左右的磨损系数。

高温齿轮

热塑性合成材料在高温齿轮条件下用途有限,这是因为当温度升高到熔点/玻璃态转化温度时,其机械性 能会降低。在设计高温应用条件下的塑料齿轮时,必须了解备选材料在应用温度下的机械性能。其中包括 磨损数据,因为磨损率在温度提高时也倾向于升高。大多数高温齿轮应用都会使用高熔点/高玻璃态转化 温度的树脂,如PES(聚醚砜)、PEI(聚醚酰亚胺)、PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)和PEEK(聚 醚醚酮)。高温齿轮应用几乎都会采用纤维增强材料和/或内部润滑。

模具设计和齿轮精度

为了得到精确模塑的热塑性齿轮,您必须具有精确的模具。在齿轮模塑过程中,模具和模腔孔的对齐至关重要。建议在模具之间使用联锁装置以消除导向系统中的松动配合。优先选用空气淬火钢而不选 用油淬火钢,这是因为空气硬化钢在热处理过程中 具有较高的尺寸稳定性。另外,对于紧密公差设计,建议使用含碳量较高(以便获得较高的总体硬 度)和含铬量较高(以便获得较好的耐磨损性)的 钢材。为了更好地控制公差,建议浇口型芯、芯棒 和部件的其他高磨损区域结合使用H-13或A-2钢和D-2钢。

在模塑齿轮的过程中,冷却对于公差控制至关重 要。整个模具内必须保持均匀的温度,以便允许材 料以均匀、受控的速度收缩。不均匀的收缩会导致 尺寸公差差异。应特别注意芯棒和深型芯,因为它 们易于变热。

最好使用具有自然平衡流道系统的三板式模具,以 便取得紧密公差的齿轮模塑。虽然多腔模具很常 见,但不建议使用多件模。可以使用无流道(热流 道)系统,但会降低模具的公差容许量。使流道保 温所需要的热量还会使模具的一部分受热,因此需 要进行额外的冷却。如果选择热流道系统,必须充 分设置冷却板,以正确控制模具温度。

排气非常重要,因为排气不足会使空气滞留于模具 内,并可导致填充部件时熔体温度和模腔压力的差 异。这些条件都会影响公差容许度。应该在模具上 提供尽可能多的排气孔,特别是在最后填充的区 域。脱模系统的设计必须能够确保在从模具中弹出 部件时尽可能减少变形量。

在许多齿轮模具中均可看到芯棒、滑道和侧向运动 部件。在任何可能的情况下,这些功能部件都应穿 过要注塑的部件并锁定到另一模具瓣内的固定座 中。这可防止功能部件随时间的推移而发生挠曲, 在加工处理过程中,塑性流动前沿的反复冲击即可 造成这种挠曲。

模塑齿轮中的浇口位置对齿轮的精度具有显著影 响,特别是径向跳动精度。注射成型齿轮的最佳浇 口类型为圆盘形或膜片形浇口。图34显示了带有圆 盘形的单一和多个浇口的极简单齿轮的模具填充分 析。圆盘形浇口可在径向上提供完全均匀的流动, 并不会出现焊缝线。这会使齿轮在所有方向上的收 缩情况都相同。由于实际齿轮生产中这种浇口通常 不实用,因此浇口通常放在齿轮的轮辐上。

当浇口放在轮辐上时,最好采用多个浇口,均匀分 布在齿轮上。当使用单一浇口时,塑料必须绕中央 芯棒流动。这会在芯棒附近形成一条细小的熔合 线,之后塑性流动前沿会离开中心位置。这种流动 形式会在齿轮相对浇口一侧的径向上形成高度的纤 维定向。

在使用多个浇口的情况下,流动模式更加不规则。液流从浇口呈辐射状向四周流动,在流动前沿汇合 处会形成三条熔接线。在熔接线位置,纤维的取向 倾向于与流动前沿平行。在齿轮中,这会导致纤维 在熔接线处呈径向分布,而在齿轮其余部位随机分 布。这会沿熔接线形成低收缩区域。熔接线与齿轮 其余部位之间纤维取向的差异要比单一浇口齿轮的 更小,因此这种齿轮精度更高。

为了对此作进一步说明,我们在齿轮的轮辐区域采 用了单一浇口和三个等距分布的浇口,模塑制作 了在前述材料研究中使用的32节距、20°压力角、0.125英寸厚的正齿轮(第20页图32)。

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图35比较 了具有一个浇口和三个浇口的40%玻璃纤维增强Nylon 6/6的TCE图。

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单一浇口齿轮具有一个大峰 值,表示卵形齿轮。此峰值是齿轮中的凸起点,与 齿轮浇口相对侧上的高度纤维定向相关。径向取向 的纤维可降低齿轮一侧的收缩率,导致在齿轮上产 生凸起点。

在三浇口齿轮中,由于有三条熔接线,因此有三个 凸起点。不过,由于塑料流动的距离缩短,纤维定 向的发生机会得以降低,因此这些凸起点的幅度得 以降低。多浇口系统更易于形成可从圆盘形浇口齿 轮中获得的同心、均匀流动条件。

模塑参数的影响

工艺变量确实会对齿轮的整体精确度有某些影响,但这种影响对于结晶树脂和非晶树脂有所不同。使用上面讨论的单一浇口齿轮时,我们为40%玻璃纤维增强Nylon 6/6和30%玻璃纤维增强聚碳酸酯确定了标准的加工条件。并根据注射压力、注射速率、保压压 力、机筒温度和模具温度的高低调整了工艺变量。在优化了控制材料凝固的参数(较低的模具温度、控制保温时间直到冷却)的情况下,结晶尼龙具有最低的TCE(精度更高)。当模塑条件对熔体产 生的剪应变达到最低(即熔体温度较高)时,非晶聚碳酸酯可以生产出精度最高的齿轮。

在模塑塑料齿轮过程中具有更重要意义的是注射成 型工艺本身的稳定性和可重复性。强烈建议使用闭环过程控制。如上所述,密封压力、熔体温度和材 料混合所发生的变化会对材料的收缩率造成实质性的影响,闭环过程控制允许模塑生产者根据需要进行调整,以保持模塑参数恒定不变。

 

ATT可以提供特殊改性的耐磨齿轮专用料,它极低的动静态摩擦系数,使其具有非常出色的耐磨性能和静音性能,耐磨性能几倍于POM,尼龙等工程塑料,非常适合打印机,ATM,无人机等设备的静音齿轮。其中M330AS1EA为有机硅改性的牌号,M330AT4FA为铁氟龙改性的牌号。

资料来源:沙伯基出创新塑料

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