復合材料齒輪的工程應用一:
目前工程實踐中已經廣泛應用的纖維增強聚合物齒輪、添加顆粒狀改性填料的各種塑料齒輪以及采用合金元素粉末和石墨扮秘成的粉末冶金齒輪都屬于復合材料齒輪范圍。其中粉末冶金齒輪主要用于不能添加外潤滑油或不希望添加外潤滑油的場合,其設計和實驗資料可在某些介紹金屬齒輪的專著中找到。•本文的內容將不包括粉末冶金齒輪。
上述第二類復合材料齒輪通常是在熱塑性塑料中復合入各種無機或有機顆拉狀填料制成的。美國材料試驗學會(ASTM)將填料定義為“為改進強度和各種性質,或者為降低成本而在聚合物中添加的惰性物質。例如石墨和二硫化鉑填料可作為固體潤滑劑降低義合材料的摩擦系數,提高其自潤滑性能,金屬粉末填料可改善齒輪材料的導熱性,減少輪齒的熱脹變形,降低齒輪嚙合過程中產生的摩擦熱和內耗熱對塑料機械性能的影響;聚四氟乙烯(PTFE)粉末狀填料有顯著地降低摩擦系數,增強自潤滑性能的功效。常用的熱塑性塑料種類很多,•其中MC尼龍(P人6)、尼龍66 (PA66)、尼龍6G (PA6G)制成的齒輪有耐沖擊、耐疲勞、耐磨損和自潤滑性能好的優點,但其尺寸穩定性和力學性能易受到環境溫度和濕度的影響。用尼龍610(PA610), J龍612 (PA612), 尼龍11 (PA11)、尼龍12 (PA1::)和尼龍12G (PA12G)制成的齒輪濕熱膨脹較小,尺寸穩定性較好、強度也較高。尼龍復合材料齒輪可以傳遞較大動力,例如土建工程機械中的單槽紋車:電動機功率為15kW,卷揚重量為1 600kg,卷上速度為40m/min,其電動機小占輪和與之嚙合的大齒輪都采用MC尼龍和石墨填料制成的復合材料,使用效果很好。高密度聚乙烯(HMW-PE)和超高密度聚乙烯(IJHMW-PE)齒輪已經用于紡織機械(如織機曲軸36牙齒輪),相對于原來的鑄鐵齒輪,可降低嗓聲4dB左右。聚乙烯齒輪心擦系數很低,濕度對其性能影響較小,但熱Q定性較差。聚甲醛(POM)制成的齒輪滑動性能好、耐磨、受環境濕度的影響較小。聚碳酸醋(PC)也可用做齒輪材料,但其滑動性能不及尼龍。聚氨酣(PUR)齒輪有優異的減振。降噪和耐磨損的功能,但熱穩定性很差。
纖維增強聚合物齒輪按聚合物基體性質又可分為兩類:纖維增強熱塑性聚合物齒輪和纖維增強熱固性聚合物齒輪:纖維增強熱塑性聚合物齒輪通常由短切玻璃纖維或碳纖維和各種熱塑性塑料采用澆鑄或注射的方法制成。常用的有玻+P9纖維增強尼龍(GF-PA6, GF-PA66, GF-PA11, GF-PAID,玻璃纖維增強聚甲醛(GF-POM)和談纖維增強尼龍(CF-PA66)等。由于增強纖維的作用,溝輪的承載能力和尺寸穩定性都遠遠高于塑料齒輪,耐熱性能和耐疲勞性能也都有所提高。碳纖維除了有增強作用之外,還有減小摩擦系數、降低磨損量和增強材料導熱性能的功能。近年來在很多進口設備上常常可以看到碳纖維復合材料齒輪的應用,例如日本進口的箭桿織機用碳纖維復合材料齒輪實現高速運動的簡帶的導向和換向。由于國產碳纖維價格偏高,作為民用復合材料的原材料尚不具備市場競爭能力,玻璃纖維是國產復合材料9輪的主要原材料。玻璃纖維和碳纖維混雜織物用作齒輪增強材料有較高的經濟效益。纖維增強熱固性聚合物復合材料齒輪常見于各種模壓成形的玻瑞纖維增強環氧樹脂齒輪、玻璃纖維增強酚醛樹脂齒輪和棉纖維增強酚醛樹脂齒輪(俗稱膠木齒輪),例如小型工具鋸床電動機小齒輪、汽車發動機用正時齒輪等都采用膠木齒輪。此外,碳纖維增強環氧樹脂及碳纖維增強酚醛樹脂復合材料也用千制造齒輪。
復合材料齒輪的工程應用二:
隨著工業技術的進一步發展,復合材料齒輪的工程應用將會進一步擴大,對復合材料齒輪的研究和開發工作也將進一步深化,會有更多的輕質、高強、耐磨、耐腐蝕、耐疲勞及自潤滑性能好的復合材料齒輪出現。當然,同具有優久歷史的金屬齒輪相比,復合材料齒輪的應用歷史很短,并且還存在著很多向題。如何進一步提高復合材料齒輪的輪齒彎斷強度、耐熱性能、耐磨性能,減小嚙合過程中輪齒的變形以及如何降低摩擦系數等都將是今后研究工作的重點