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一、前言
在所有的標(biāo)準(zhǔn)齒輪應(yīng)用中，塑料齒輪正在快速的取代金屬齒輪，主要應(yīng)用在汽車、家用器械、工業(yè)機(jī)械、電腦和電氣及醫(yī)療設(shè)備。這是因?yàn)橄啾容^于金屬器件，塑料齒輪的成本更低、重量較輕、加工設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。
第一代生產(chǎn)的塑料出輪必須使用潤(rùn)滑劑，如油和油脂，減少磨損，延長(zhǎng)使用的壽命；但現(xiàn)在應(yīng)用的許多塑料齒輪不需要潤(rùn)滑劑，原因是樹脂本身具有潤(rùn)滑性，或者添加填料來降低其與其他齒輪接觸時(shí)的摩擦系數(shù)。
自潤(rùn)滑或者非自潤(rùn)滑的塑料齒輪并沒有減低取代金屬齒輪。當(dāng)在高溫、壓力和其它應(yīng)力環(huán)境下，塑料與金屬具有不同的表現(xiàn)；這些差異是設(shè)計(jì)者為了避免塑料件的過早失效。
二、應(yīng)用及特性
在汽車業(yè)中塑料齒輪用于動(dòng)力座椅、自動(dòng)升降窗、點(diǎn)火系統(tǒng)、汽車剎車、各種各樣的關(guān)閉和門閂系統(tǒng)；齒輪的器械應(yīng)用包含吸塵器、洗衣機(jī)傳送系統(tǒng)、食物加工器、HVAC驅(qū)動(dòng)器和手動(dòng)混合器；在工業(yè)中，塑料齒輪應(yīng)用在裝配線滾筒、電動(dòng)工具、水表和煤氣表中；在電氣設(shè)備中，塑料齒輪用作打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃瞄儀、音頻信號(hào)和圖像裝備中；在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，塑料齒輪用作藥物自動(dòng)輸送裝置；塑料齒輪還用作表、鐘、和遮光窗簾的運(yùn)動(dòng)部分；戶外用的齒輪包括割草機(jī)、樹葉吸收工具、噴灑器和游泳池設(shè)備。
圖 1: 自潤(rùn)滑塑料齒輪可制成不同尺寸和結(jié)構(gòu)的齒輪 (來源: 通用電氣塑料.)
自潤(rùn)滑塑料齒輪減少了油脂或油的應(yīng)用，從而節(jié)省了成本，降低了維修費(fèi)用；考慮拼裝成箱的可能性，塑料齒輪相比較于金屬齒輪的裝配更便宜；模塑塑料齒輪的尺寸可以比金屬齒輪尺寸更小，因此使用塑料齒輪的機(jī)器和裝備的尺寸也可以相應(yīng)的減小。
三、設(shè)計(jì)考慮
塑料的粘彈性大于金屬，所以蠕變和變形成為塑料齒輪應(yīng)用的主要問題。塑料在高溫?fù)p失的強(qiáng)度大于金屬，但是塑料高溫性能的變化隨樹脂及增強(qiáng)劑的類型及用量的變化而變化。塑料的熱導(dǎo)率只相當(dāng)于金屬的1-2%,當(dāng)他們溫度升高時(shí)，塑料齒輪維持高溫的時(shí)間大于金屬。一些塑料如尼龍可吸收大量的水份，易引起加工困難除非在模塑前進(jìn)行干燥。一方面，尼龍齒輪吸收水份溶張，工程師在齒輪設(shè)計(jì)中必須考慮此因素；另一方面，水份降低了尼龍的拉伸強(qiáng)度，提高了沖擊強(qiáng)度。
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圖 2: 兩相互嚙合齒輪的磨耗率和材料的類型、載重量、填料和添加劑的量相關(guān)(來源: DSM.)
可采用不同的方法避免材料過熱，一些塑料齒輪當(dāng)摩擦嚴(yán)重時(shí)，需要外來的潤(rùn)滑油；當(dāng)采用自潤(rùn)滑塑料作為齒輪時(shí)，設(shè)計(jì)者常常通過匹配相異的材料，如縮醛醇和尼龍66來減少其摩擦系數(shù)。相異材料的混合相比較于相同材料的混合可以減少生熱。另一種控制摩擦熱產(chǎn)生的方法是添加低摩擦系數(shù)的物質(zhì)如聚四氟乙烯(PTFE)、硅氧烷或者石墨等。
大家都了解塑料作為齒輪的行為特性，因此工程師也知道，當(dāng)金屬變換成塑料時(shí)，什么樣的調(diào)整可以使設(shè)計(jì)正常運(yùn)作。
三、材料
在塑料齒輪中應(yīng)用的塑料廣泛的分成兩種類型：結(jié)晶和無定型。一般，結(jié)晶和半結(jié)晶的材料包括：尼龍、縮醛醇、聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)，相比較于無定型材料如聚碳酸酯和聚醚酰亞胺(PEI)，其耐疲勞性更好。因此結(jié)晶塑料常常應(yīng)用在需要極強(qiáng)的載荷和應(yīng)力循環(huán)的環(huán)境下。無定型材料傾向于用在速度和載荷較低，且尺寸較小、精確的齒輪。
塑料齒輪應(yīng)用的添加劑分為兩類：一類是減少摩擦性，另一類是提高耐熱性和機(jī)械性能。低摩擦添加物包括聚四氟乙烯、石墨和硅氧烷、及二硫化鉬。提高強(qiáng)度和熱性能的增強(qiáng)材料包括：玻璃和碳纖維。芳族聚酰胺纖維提高耐磨性、減少齒輪的摩擦系數(shù)。
（1）尼龍(聚酰胺PA)
尼龍的摩擦系數(shù)較低、耐化學(xué)性和良好的電性能。在尼龍中，尼龍46和尼龍66用作齒輪。尼龍46，具有一般尼龍的特點(diǎn)，同時(shí)在高溫具有卓越的機(jī)械性能和耐磨性。
尼龍46的一些優(yōu)勢(shì)可在特殊用途的齒輪應(yīng)用中體現(xiàn)出來。這種樹脂（DSM）的制造商報(bào)道尼龍46，以Stanyl命名，具有不同的等級(jí)，可以用作汽車起跑工具，其溫度達(dá)到130℃。該公司還報(bào)道：和燒結(jié)金屬相比，由尼龍46制造的非潤(rùn)滑節(jié)流齒輪可節(jié)約40%的成本，同時(shí)可減少3-5dB的噪音。在汽車自動(dòng)升降車窗上使用尺寸較小的尼龍46齒輪發(fā)動(dòng)量和原來尺寸較大的發(fā)動(dòng)量差不多，但是允許車窗厚度從145毫米見到126毫米。
圖 3: 自潤(rùn)滑等級(jí)尼龍46在高溫85℃以上仍具有較好的性能(來源: DSM.)
（2）縮醛醇(Acetal)
縮醛醇堅(jiān)硬、抗蠕變和一定的強(qiáng)度；雖然尼龍可在高溫條件下操作使用，但是縮醛醇在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)具有相當(dāng)高的抗疲勞性和耐化學(xué)性。縮醛醇是工程聚合物在熱水條件下分解最慢的化合物之一。通過添加聚四氟乙烯可提高縮聚醛的潤(rùn)滑性。自潤(rùn)滑縮聚醛齒輪可以用作食物和藥物的加工儀器，以避免外來潤(rùn)滑劑的污染。
圖4: 縮醛醇齒輪在Maytag洗衣機(jī)中的應(yīng)用，與金屬相比，噪音小、簡(jiǎn)單和質(zhì)輕(來源: Ticona.)
（3）聚醚醚酮(PEEK)
另一種高性能工程塑料齒輪材料是聚醚醚酮，在高溫具有較好的性能，化學(xué)腐蝕性和極端的機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)本身具有一定的阻燃性和難燃性。商業(yè)上聚醚醚酮的制造商（Victrex)報(bào)道，該種材料可以在諧波驅(qū)動(dòng)齒輪中使用，其溫度必須在-55℃到150℃之間。（諧波驅(qū)動(dòng)齒輪廣泛用在航天航空和防御應(yīng)用系統(tǒng)中)。事實(shí)上，聚醚醚酮可在260℃下連續(xù)使用。可以和所有的潤(rùn)滑劑相容應(yīng)用在航天航空上，同時(shí)具有較好的滑動(dòng)摩擦性。
圖 5: 在航天航空上應(yīng)用的聚醚醚酮齒輪既有較好的抗疲勞性及在高溫的表現(xiàn)較好的性能(來源: Victrex.)
（4）聚苯硫醚(PPS)
線性聚苯硫醚具有較高的耐高溫性能、化學(xué)性能和抗疲勞性。聚苯硫醚酮常用作齒輪，把能量從汽車發(fā)動(dòng)馬達(dá)傳送到剎車件上，其應(yīng)用了聚醚醚酮在高溫
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圖 6: 在非常苛刻的條件下，復(fù)印機(jī)的齒輪仍能保持尺寸穩(wěn)定性(來源: 聚合物塑料有限公司)
（5）其它齒輪用樹脂
液晶高分子(LCPs)在模具中具有較好的流動(dòng)性，可以制成比較小、薄壁齒輪，如應(yīng)用在手表上。同時(shí)，這些材料表現(xiàn)較好的耐高溫性和抗化學(xué)腐蝕性，適合流體齒輪如在汽車上用作引擎石油的監(jiān)視器。
聚酰亞胺(PEI)樹脂具有高模量，本身阻燃、耐溫和抗化學(xué)性能；潤(rùn)滑等級(jí)提供高耐磨性和減少噪音，可在170℃高溫下連續(xù)使用；象其它無定型聚合物，聚酰亞胺具有較低的收縮性。
圖 7: 汽車上應(yīng)用的LCP精確齒輪在高溫油或者其它腐蝕液體存在下未受損害(來源: 杜邦公司)
聚碳酸酯具有較好的耐磨性能，強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，通過添加玻纖（質(zhì)量百分比30%）可提高物理機(jī)械性能；未填充的聚合物，其潤(rùn)滑性不是很高，可通過添加聚四氟乙烯來提高潤(rùn)滑性。
四、結(jié)論
汽車、工業(yè)和器械齒輪元件者朝著低成本、質(zhì)輕和低噪音的市場(chǎng)發(fā)展。因?yàn)椴恍枰砑尤魏螡?rùn)滑劑，塑料齒輪具有較大的經(jīng)濟(jì)效率。本身不具有潤(rùn)滑性的塑料可通過添加填料來提高潤(rùn)滑性，同時(shí)可以提高塑料齒輪的物理機(jī)械性能。用塑料代替金屬齒輪要求這兩種材料之間具有強(qiáng)烈的不同。相比于目前的齒輪，樹脂制造商和混合商正努力擴(kuò)大塑料作為齒輪應(yīng)用，朝著大尺寸和承載更大載荷的塑料齒輪方向發(fā)展。
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