塑料齒輪及其種類（PE、PP、PA、POM、PC、PEEK、PPS......）
2023-04-13 10:41:03點擊：
齒輪以傳遞運動和動力為主要功能，在機械裝備中具有舉足輕重的作用。與金屬齒輪相比，塑料齒輪具有質(zhì)量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，而且具有易成型、制造成本低、設(shè)計靈活等特點。
塑料齒輪的主要作用是傳遞運動和動力。在不同的工況環(huán)境下，需要對制作塑料齒輪的材料進行綜合考慮，比如齒輪使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性等。塑料齒輪的成型材料可以分為通用塑料、工程塑料和特種工程塑料及以其為基體的纖維增強塑料復(fù)合材料等。隨著新材的不斷涌現(xiàn)，塑料齒輪相比于金屬齒輪的優(yōu)勢更為明顯，還可以往齒輪中加入不同填料改變純塑料齒輪的屬性，提高齒輪的使用性能和壽命。
用于齒輪的普通通用塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，如Fig.1所示。
圖1 各種塑料齒輪
它們產(chǎn)量大，價格低，用途廣泛，但是同時也有很多的缺點，比如表面硬度低，容易被劃傷；在環(huán)境應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂，導(dǎo)致失效；在齒輪嚙合的過程中，由于熱膨脹系數(shù)大，會產(chǎn)生大量的熱，更容易發(fā)生蠕變，發(fā)生永久變形。因此，通用塑料齒輪不適合于承載能力高的場合，但適合制造用于玩具和醫(yī)療器件的齒輪。
通用塑料齒輪在強度、散熱和承載方面表現(xiàn)較差，導(dǎo)致齒輪制造成型加工一般不使用單純的通用塑料，而是需要共混物進行注塑成型。普通塑料與其他原料結(jié)合，可提高塑料齒輪的綜合性能。通用塑料制成的齒輪容易發(fā)生失效，因此，生產(chǎn)齒輪一般使用工程塑料或者性能更高的塑料。
2 工程塑料齒輪
工程聚合物是一種特殊的、高性能的合成塑料，具有優(yōu)良的綜合性能，剛性大，蠕變小，機械強度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在環(huán)境苛刻的場合下長期使用。設(shè)計得當(dāng)可以被塑造成機械功能強的半精密部件或結(jié)構(gòu)部件，并為替代金屬齒輪實現(xiàn)“以塑代鋼”提供可能。
工程塑料又可以細(xì)分分為通用工程塑料和特種工程塑料2類，其中可以成型齒輪的工程塑料有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)和熱塑性彈性體、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)和液晶聚合物(LCP)等。
2.1 PA齒輪：
聚酰胺(PA)材料具有熱塑性材料的硬度，有良好的抗沖擊性能和沖擊韌性。某些情況下比金屬性能更好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于齒輪、凸輪和軸承的制作。但是它的熱變形溫度相對較低；制品在放置后有較大的吸水性，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會造成制品表面缺陷，改變表面的厚度，使屈服強度增大，造成韌性降低；使用過程中也會產(chǎn)生蠕變性。因此，為提升PA的性能，可進行共混改性生成不同性能的共聚PA。
PA齒輪在結(jié)晶度方面，屬于半結(jié)晶材料，可實現(xiàn)從固體到熔體的急劇轉(zhuǎn)變。PA在注塑成型時會受到結(jié)晶度的影響，Russell和Beaumont通過對注塑成型PA66齒輪的研究發(fā)現(xiàn)，注塑過程中模具溫度對制品的結(jié)晶度影響較大，球結(jié)晶在結(jié)晶過程中會有大小的變化，甚至最終導(dǎo)致制品的缺陷。
PA齒輪在嚙合磨損過程中存在熱應(yīng)力的問題，決定齒輪壽命的關(guān)鍵因素在于齒輪齒側(cè)的熱聚集，需要對齒輪的熱應(yīng)力進行預(yù)測，并將聚集的熱消散出去，從而降低齒輪的嚙合溫度。
從齒輪的磨損行為出發(fā)，明確熱應(yīng)力產(chǎn)生的區(qū)域，首先需要觀察的是PA齒輪失效形式，PA齒輪在高負(fù)載(10N·m以上)的條件下的磨損行為主要分為3個階段：初始磨合階段、線性磨損階段和最后斷裂階段。初始磨損階段歷程較短，但是磨損量非常高；線性磨損階段的磨損率較低；最后斷裂階段的齒面磨損率會迅速增加。
不同驅(qū)動材料的齒輪與PA齒輪嚙合時，會對PA齒輪齒面產(chǎn)生不同形式磨損，當(dāng)乙醛材料作為驅(qū)動輪時，PA齒輪齒面會有高熱磨損，導(dǎo)致齒輪壓力角增大，磨損加重，因此驅(qū)動齒輪材料在磨損失效中有關(guān)鍵的作用。
2.2 POM齒輪：
隨著塑料齒輪的應(yīng)用越來越多，應(yīng)用要求已經(jīng)從齒輪精度轉(zhuǎn)向承載性能。聚甲醛(POM)材料良好的力學(xué)性能，可以集精度和承載為一身應(yīng)用到齒輪的注塑成型。作為高結(jié)晶的線型聚合物，它是耐熱塑膠的典范。通過注塑成型，POM材料可以制成堅硬致密的抗疲勞、抗磨損齒輪，具有沖擊性好，摩擦系數(shù)小，自潤滑性能好的優(yōu)勢，因此，POM是聚合物齒輪的首選工程材料。其缺點是成型制品時有收縮的趨勢，并且容易產(chǎn)生缺陷。
在POM齒輪的成型工藝條件方面，注塑過程中的注射速度、模具溫度、鎖模壓力和冷卻時間對POM齒輪的注塑成型有著重要的影響。
在POM齒輪的磨損失效方面，齒輪磨損會影響到齒輪的壽命，磨損與齒輪間的磨損系數(shù)有著緊密的聯(lián)系，但磨損系數(shù)的評估的影響因素有很多需綜合考慮。
2.3 PC齒輪：
聚碳酸酯(PC)材料屬于無色的玻璃態(tài)無定型聚合物，具有高沖擊強度、尺寸穩(wěn)定性好、蠕變小和良好的加工成型性能等優(yōu)點。但是在較高溫度的影響下PC易發(fā)生老化，因此在較高溫度下使用此種材料需要對制品表面進行保護，進而延長PC的使用壽命。
PC制成的齒輪，由于材料無色透明，齒輪外觀會十分精美，并且可安裝在精密儀器儀表中，進行齒輪傳動或者作為工藝裝飾品，但其制成的齒輪會存在徑向的齒形變，對于此種缺陷，需要進行精確地齒輪模擬仿真才可獲得。
2.4 PEEK齒輪：
由于聚合物齒輪的要求越來越高，就需要使用工程塑料達到齒輪工況要求，聚醚醚酮(PEEK)具有優(yōu)異的機械、化學(xué)和熱性能，它比其他特種工程塑料更有優(yōu)勢。高溫下的PEEK材料拉伸強度和彎曲模量依舊很高，并表現(xiàn)出可靠的耐蠕變和抗疲勞的性能，可以長期在200℃的高溫下使用。PEEK齒輪也可在較大負(fù)載條件下實現(xiàn)動力傳輸，是當(dāng)今模塑齒輪中的頂級工程材料。
PEEK齒輪在性能方面表現(xiàn)優(yōu)良，在牙科中也有許多潛在的用途，PEEK具有較低的楊氏(彈性)模量和優(yōu)良拉伸性能都接近人體骨骼，適合作為牙齒的替代物。但仍需對磨損失效進行探究分析，需要考慮載荷大小、環(huán)境條件以及滑移率等條件，并針對性地開展實驗分析，如Fig.2所示。
圖2 磨損試驗和故障檢測
Hoskins等在使用雙盤模擬PEEK齒輪的滾動滑動接觸研究中，獲得一種齒輪的動態(tài)響應(yīng)方法。將2個PEEK圓盤相互接觸碰撞，隨著載荷和滑移率的增加，PEEK圓盤的磨損、摩擦和溫度也會增加(其磨損率明顯低于其他聚合物的磨損)，發(fā)現(xiàn)在高滑移率和高負(fù)載條件下的失效主要是表面熔化和接觸疲勞失效，因此，為設(shè)計出高性能的齒輪接觸條件，需要將獲得的結(jié)果與實際齒輪嚙合過程聯(lián)系起來。
聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸穩(wěn)定性好，耐疲勞和耐化學(xué)性能的優(yōu)點，是高溫、腐蝕性環(huán)境中齒輪的首選材料，現(xiàn)在PPS齒輪已應(yīng)用到汽車、特殊流體泵等苛刻的工作條件下。PPS可以與其他聚合物相互結(jié)合，從而達到良好的機械和摩擦性能，齒輪的磨損和傳動性能也可得到提升。
Chen等使用注塑機將PA66與PPS共混物注塑成型圓柱形摩擦副，進行磨損實驗。獲得了最優(yōu)力學(xué)性能的共混物比例是PA66/PPS(70/30)，最小磨損的共混物比例是PA66/PPS(80/20)，并且磨損量會隨著混合物中PPS含量的增多而增加。進一步開展了碳纖維(CF)增強PA66/PPS共混物的磨損性能實驗，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CF含量低于30%時，CF會導(dǎo)致摩擦副的耐磨性變差，而當(dāng)CF含量高于30%時，會顯著改善了摩擦副的磨損性能。另外，將聚四氟乙烯(PTFE)加入到PA66/PPS共混物中，發(fā)現(xiàn)共混物的力學(xué)性能下降，耐磨性卻有很大的提高。
3 纖維增強塑料齒輪
塑料齒輪具有質(zhì)量輕、易成型、噪音小的優(yōu)點，但它同時也有強度低、耐磨性差等缺點，因此制造塑料齒輪需要更高性能的材料，可以通過向材料中加入不同的添加物的方式來提高其強度。塑料齒輪的添加物一般分為2類，一類是減少摩擦，另一類是提高耐熱性和力學(xué)性能。
使用聚四氟乙烯、石墨烯和硅氧烷等可以減少齒輪嚙合時的摩擦；添加碳纖維和玻璃纖維可以提升齒輪的強度和熱性能；提升耐磨性、降低齒輪的摩擦系數(shù)，可以使用芳族聚酰胺纖維。纖維具有拉伸強度高和吸收沖擊能量好的優(yōu)點，是一種簡單有效提高齒輪強度的方法，為聚合物齒輪代替金屬齒輪提供堅實的基礎(chǔ)。
3.1碳纖維增強塑料齒輪：
碳纖維(CF)的拉伸強度和模量高，具備優(yōu)異的拉伸性能、低密度、高熱穩(wěn)定性以及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，設(shè)計自由度高，可根據(jù)要求進行設(shè)計。碳纖維廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，將碳纖維的加入塑料齒輪中，由于碳纖維自身的剛性，可以改善齒輪的摩擦性能，在實現(xiàn)齒輪輕量化的基礎(chǔ)上，提高齒輪的齒輪穩(wěn)定性和耐磨性。
根據(jù)碳纖維含量和種類的不同，對齒輪的增強效果和磨損失效表現(xiàn)不同。Kurokawa等對不同CF增強的PEEK齒輪進行研究和評價，CF增強齒輪會因配對齒輪的種類、有無潤滑劑等因素導(dǎo)致齒面產(chǎn)生不同磨損。干燥的穩(wěn)定狀態(tài)下，齒輪的磨損率很小；涂抹潤滑劑后，也會因為嚙合齒輪的不同而產(chǎn)生不同的磨損，研究人員推測是PEEK與CF的親和性、CF磨屑在嚙合區(qū)介入的差異以及CF的特性對齒輪影響，但仍需進一步驗證分析。
在齒輪中填充材料方面，不同纖維和物質(zhì)加入聚合物齒輪中會有不同的效果。chroeder等在對PEEK、CF增強PEEK和填充石墨、PTFE和CF增強PEEK進行摩擦學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)未填充PEEK在實驗中表現(xiàn)出較大的磨損；CF增強PEEK也表現(xiàn)出很低的耐磨性，具有更高的滑動和微磨料耐磨性；往CF增強的PEEK齒輪中再添加PTFE和石墨后，齒輪的摩擦系數(shù)急劇下降，表現(xiàn)出高擦傷性和幾乎沒有磨損的耐磨性，主要是因為填充有石墨和PTFE的碳纖維PEEK齒輪的保護性摩擦層，從復(fù)合材料轉(zhuǎn)移到另一個齒輪上導(dǎo)致的。
3.2 玻璃纖維增強塑料齒輪：
由于玻璃纖維(GF)的直徑小，在與基體材料結(jié)合后，表現(xiàn)出強度高、性能優(yōu)良和產(chǎn)品設(shè)計自由度大的特點。在特定的應(yīng)力水平和轉(zhuǎn)速條件下，GF填充增強齒輪與未填充增強齒輪相比，GF填充齒輪強度、模量和導(dǎo)熱性均表現(xiàn)優(yōu)良，疲勞壽命延長。注塑制品內(nèi)部纖維分布均勻，拉伸性能和抗彎強度均有較大提高，在汽車，航空航天和采礦等領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用在各種機械部件中。
GF的填充含量對齒輪性能提升有不同效果。Mao等發(fā)現(xiàn)28%的GF增強POM齒輪與未填充GF的POM齒輪相比性能顯著增強，在負(fù)載能力方面，齒輪的承載提高50%；在表面結(jié)晶度方面，POM齒輪的結(jié)晶度會下降20%，并從SEM圖像中獲得GF增強POM齒輪的結(jié)晶度沒有變化。實驗測試后，POM齒輪內(nèi)部纖維長度會減小，這是高負(fù)載情況下纖維斷裂所致，導(dǎo)致局部彎曲阻力顯著下降和齒輪齒面快速熱失效。
不同GF取向會影響到齒輪的嚙合磨損。為獲得最佳性能的纖維填充齒輪，Kunishima等對GF增強PA66進行摩擦學(xué)研究，在高接觸壓力下、滑動和潤滑條件下，GF沿垂直取向時，在對應(yīng)鋼嚙合的材料上，觀察到較大的侵蝕，造成纖維剝落和齒面劃傷，這主要是摩擦和蠕變增加的原因；當(dāng)纖維平行于滑動方向排列時磨損增加；在潤滑油存在的情況下，磨損產(chǎn)生的碎屑導(dǎo)致的磨損會明顯少于接觸溫度升高而產(chǎn)生的磨損。
3.3 芳綸纖維增強塑料齒輪：
芳綸纖維是一種合成纖維，具有超高的強度、高模量、質(zhì)量輕等優(yōu)點，可在高溫下不分解，不融化，是很好的絕緣和抗老化材料。芳綸纖維填充齒輪可以減少齒輪的質(zhì)量，使得齒輪朝小型化和高性能方向發(fā)展。
在芳綸纖維的效果方面，可以在與GF和CF的比較中得到，在Kukureka等對芳綸纖維、GF和CF增強PA66的雙盤機試驗中，GF和CF增強的材料可以使摩擦系數(shù)顯著下降，而芳綸纖維不會改變PA66材料的摩擦性。芳綸纖維的磨損與時間呈線性關(guān)系，這導(dǎo)致增強PA材料制得制品的磨損率會隨時間的變化而不斷提高。
在兩圓盤接觸表面上，芳綸纖維會迅速地從接觸表面移除，只留下基體材料，這種效果與提高材料的摩擦系數(shù)相似，造成磨損率顯著高于未填充增強的材料，可能芳綸纖維只是抑制某些部位的裂紋擴展，導(dǎo)致磨損的碎片是大而薄的薄片。
齒輪的磨損特性決定著齒輪的應(yīng)用工況。Gordon等對PA46和PA46/芳綸纖維復(fù)合材料進行滑動滾動接觸試驗，在2%滑移率的條件下，PA46+15%芳綸纖維的摩擦系數(shù)最低，但在較高的負(fù)載和速度下卻有著穩(wěn)定的磨損率。實驗發(fā)現(xiàn)，在任何載荷和速率條件下，PA46+芳綸纖維復(fù)合材料都會出現(xiàn)點蝕和大裂縫，最終斷裂而失效。因此，PA46+芳綸纖維齒輪適合在低載荷和低速的工況下使用。
隨著通用塑料到工程塑料的發(fā)展，塑料齒輪在質(zhì)量輕、運行噪音小、耐磨性好、自潤滑性能好、耐腐蝕等多方面的優(yōu)勢得到體現(xiàn)。纖維增強塑料齒輪在保證輕量化的同時，強度和耐磨性得到進一步提升，塑料齒輪的應(yīng)用場所和使用工況得到進一步拓展。
參考資料：塑料齒輪及其成型制造技術(shù)進展，互聯(lián)網(wǎng)資料等。部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。
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