如何利用塑料的独特性能了解一下齿轮设计指南

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。
　　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。
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