复合材料齿轮的工程应用
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复合材料齿轮的工程应用一:
目前工程实践中已经广泛应用的纤维增强聚合物齿轮、添加颗粒状改性填料的各种塑料齿轮以及采用合金元素粉末和石墨扮秘成的粉末冶金齿轮都属于复合材料齿轮范围。其中粉末冶金齿轮主要用于不能添加外润滑油或不希望添加外润滑油的场合,其设计和实验资料可在某些介绍金属齿轮的专著中找到。•本文的内容将不包括粉末冶金齿轮。
上述第二类复合材料齿轮通常是在热塑性塑料中复合入各种无机或有机颗拉状填料制成的。美国材料试验学会(ASTM)将填料定义为“为改进强度和各种性质,或者为降低成本而在聚合物中添加的惰性物质。例如石墨和二硫化铂填料可作为固体润滑剂降低义合材料的摩擦系数,提高其自润滑性能,金属粉末填料可改善齿轮材料的导热性,减少轮齿的热胀变形,降低齿轮啮合过程中产生的摩擦热和内耗热对塑料机械性能的影响;聚四氟乙烯(PTFE)粉末状填料有显著地降低摩擦系数,增强自润滑性能的功效。常用的热塑性塑料种类很多,•其中MC尼龙(P人6)、尼龙66 (PA66)、尼龙6G (PA6G)制成的齿轮有耐冲击、耐疲劳、耐磨损和自润滑性能好的优点,但其尺寸稳定性和力学性能易受到环境温度和湿度的影响。用尼龙610(PA610), J龙612 (PA612), 尼龙11 (PA11)、尼龙12 (PA1::)和尼龙12G (PA12G)制成的齿轮湿热膨胀较小,尺寸稳定性较好、强度也较高。尼龙复合材料齿轮可以传递较大动力,例如土建工程机械中的单槽纹车:电动机功率为15kW,卷扬重量为1 600kg,卷上速度为40m/min,其电动机小占轮和与之啮合的大齿轮都采用MC尼龙和石墨填料制成的复合材料,使用效果很好。高密度聚乙烯(HMW-PE)和超高密度聚乙烯(IJHMW-PE)齿轮已经用于纺织机械(如织机曲轴36牙齿轮),相对于原来的铸铁齿轮,可降低嗓声4dB左右。聚乙烯齿轮心擦系数很低,湿度对其性能影响较小,但热Q定性较差。聚甲醛(POM)制成的齿轮滑动性能好、耐磨、受环境湿度的影响较小。聚碳酸醋(PC)也可用做齿轮材料,但其滑动性能不及尼龙。聚氨酣(PUR)齿轮有优异的减振。降噪和耐磨损的功能,但热稳定性很差。
纤维增强聚合物齿轮按聚合物基体性质又可分为两类:纤维增强热塑性聚合物齿轮和纤维增强热固性聚合物齿轮:纤维增强热塑性聚合物齿轮通常由短切玻璃纤维或碳纤维和各种热塑性塑料采用浇铸或注射的方法制成。常用的有玻+P9纤维增强尼龙(GF-PA6, GF-PA66, GF-PA11, GF-PAID,玻璃纤维增强聚甲醛(GF-POM)和谈纤维增强尼龙(CF-PA66)等。由于增强纤维的作用,沟轮的承载能力和尺寸稳定性都远远高于塑料齿轮,耐热性能和耐疲劳性能也都有所提高。碳纤维除了有增强作用之外,还有减小摩擦系数、降低磨损量和增强材料导热性能的功能。近年来在很多进口设备上常常可以看到碳纤维复合材料齿轮的应用,例如日本进口的箭杆织机用碳纤维复合材料齿轮实现高速运动的简带的导向和换向。由于国产碳纤维价格偏高,作为民用复合材料的原材料尚不具备市场竞争能力,玻璃纤维是国产复合材料9轮的主要原材料。玻璃纤维和碳纤维混杂织物用作齿轮增强材料有较高的经济效益。纤维增强热固性聚合物复合材料齿轮常见于各种模压成形的玻瑞纤维增强环氧树脂齿轮、玻璃纤维增强酚醛树脂齿轮和棉纤维增强酚醛树脂齿轮(俗称胶木齿轮),例如小型工具锯床电动机小齿轮、汽车发动机用正时齿轮等都采用胶木齿轮。此外,碳纤维增强环氧树脂及碳纤维增强酚醛树脂复合材料也用千制造齿轮。
复合材料齿轮的工程应用二:
随着工业技术的进一步发展,复合材料齿轮的工程应用将会进一步扩大,对复合材料齿轮的研究和开发工作也将进一步深化,会有更多的轻质、高强、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳及自润滑性能好的复合材料齿轮出现。当然,同具有优久历史的金属齿轮相比,复合材料齿轮的应用历史很短,并且还存在着很多向题。如何进一步提高复合材料齿轮的轮齿弯断强度、耐热性能、耐磨性能,减小啮合过程中轮齿的变形以及如何降低摩擦系数等都将是今后研究工作的重点