塑料齒輪及其選材種類（PE、PP、PA、POM、PC、PEEK、PPS......）




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、設計靈活等特點。

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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合材料等。隨著新材的不斷涌現，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。

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通用塑料齒輪


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。
002.png圖1  各種塑料齒輪
它們產量大，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)境應力的作用下發(fā)生開裂，導致失效；在齒輪嚙合的過程中，由于熱膨脹系數大，會產生大量的熱，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較差，導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，生產齒輪一般使用工程塑料或者性能更高的塑料。

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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。設計得當可以被塑造成機械功能強的半精密部件或結構部件，并為替代金屬齒輪實現“以塑代鋼”提供可能。
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工程塑料又可以細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，已經廣泛應用于齒輪、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，產生的殘余應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。
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PA齒輪在結晶度方面，屬于半結晶材料，可實現從固體到熔體的急劇轉變。PA在注塑成型時會受到結晶度的影響，研究人員通過對注塑成型PA66齒輪的研究發(fā)現，注塑過程中模具溫度對制品的結晶度影響較大，球結晶在結晶過程中會有大小的變化，甚至最終導致制品的缺陷。
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PA齒輪在嚙合磨損過程中存在熱應力的問題，決定齒輪壽命的關鍵因素在于齒輪齒側的熱聚集，需要對齒輪的熱應力進行預測，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)，明確熱應力產生的區(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。
不同驅動材料的齒輪與PA齒輪嚙合時，會對PA齒輪齒面產生不同形式磨損，當乙醛材料作為驅動輪時，PA齒輪齒面會有高熱磨損，導致齒輪壓力角增大，磨損加重，因此驅動齒輪材料在磨損失效中有關鍵的作用。
2.2 POM齒輪：
隨著塑料齒輪的應用越來越多，應用要求已經從齒輪精度轉向承載性能。聚甲醛(POM)材料良好的力學性能，可以集精度和承載為一身應用到齒輪的注塑成型。作為高結晶的線型聚合物，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，并且容易產生缺陷。
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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有著緊密的聯系，但磨損系數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。
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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齒輪也可在較大負載條件下實現動力傳輸，是當今模塑齒輪中的頂級工程材料。
009.jpgPEEK齒輪
PEEK齒輪在性能方面表現優(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。
010.png圖2 磨損試驗和故障檢測
通過在使用雙盤模擬PEEK齒輪的滾動滑動接觸研究中，獲得了一種齒輪的動態(tài)響應方法。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)現在高滑移率和高負載條件下的失效主要是表面熔化和接觸疲勞失效，因此，為設計出高性能的齒輪接觸條件，需要將獲得的結果與實際齒輪嚙合過程聯系起來。
2.5 PPS齒輪： 
聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸穩(wěn)定性好，耐疲勞和耐化學性能的優(yōu)點，是高溫、腐蝕性環(huán)境中齒輪的首選材料，現在PPS齒輪已應用到汽車、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。
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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，當CF含量低于30%時，CF會導致摩擦副的耐磨性變差，而當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)現共混物的力學性能下降，耐磨性卻有很大的提高。

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纖維增強塑料齒輪

塑料齒輪具有質量輕、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，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。
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)定性以及良好的導熱和導電性，設計自由度高，可根據要求進行設計。碳纖維廣泛應用于各個領域，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，在實現齒輪輕量化的基礎上，提高齒輪的齒輪穩(wěn)定性和耐磨性。
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根據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不同。研究人員在對不同CF增強的PEEK齒輪進行研究和評價中，CF增強齒輪會因配對齒輪的種類、有無潤滑劑等因素導致齒面產生不同磨損。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，不同纖維和物質加入聚合物齒輪中會有不同的效果。研究人員等在對PEEK、CF增強PEEK和填充石墨、PTFE和CF增強PEEK進行摩擦學測試，發(fā)現未填充PEEK在實驗中表現出較大的磨損；CF增強PEEK也表現出很低的耐磨性，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，齒輪的摩擦系數急劇下降，表現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，從復合材料轉移到另一個齒輪上導致的。
3.2 玻璃纖維增強塑料齒輪：
由于玻璃纖維(GF)的直徑小，在與基體材料結合后，表現出強度高、性能優(yōu)良和產品設計自由度大的特點。在特定的應力水平和轉速條件下，GF填充增強齒輪與未填充增強齒輪相比，GF填充齒輪強度、模量和導熱性均表現優(yōu)良，疲勞壽命延長。注塑制品內部纖維分布均勻，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域，被廣泛應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。研究發(fā)現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，在負載能力方面，齒輪的承載提高50%；在表面結晶度方面，POM齒輪的結晶度會下降20%，并從SEM圖像中獲得GF增強POM齒輪的結晶度沒有變化。實驗測試后，POM齒輪內部纖維長度會減小，這是高負載情況下纖維斷裂所致，導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，研究人員對GF增強PA66進行摩擦學研究，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，磨損產生的碎屑導致的磨損會明顯少于接觸溫度升高而產生的磨損。
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，在研究人員對芳綸纖維、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系，這導致增強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用工況。研究人員對PA46和PA46/芳綸纖維復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最低，但在較高的負載和速度下卻有著穩(wěn)定的磨損率。實驗發(fā)現，在任何載荷和速率條件下，PA46+芳綸纖維復合材料都會出現點蝕和大裂縫，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。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，塑料齒輪的應用場所和使用工況得到進一步拓展。