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自润滑塑料齿轮挑战金属齿轮
Gordon Graff
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前言
在所有的标准齿轮应用中，塑料齿轮正在快速的取代金属齿轮，主要应用在汽车、家用器械、工业机械、电脑和电气及医疗设备。这是因为相比较于金属器件，塑料齿轮的成本更低、重量较轻、加工设计灵活等优点。
第一代生产的塑料出轮必须使用润滑剂，如油和油脂，减少磨损，延长使用的寿命；但现在应用的许多塑料齿轮不需要润滑剂，原因是树脂本身具有润滑性，或者添加填料来降低其与其他齿轮接触时的摩擦系数。
自润滑或者非自润滑的塑料齿轮并没有减低取代金属齿轮。当在高温、压力和其它应力环境下，塑料与金属具有不同的表现；这些差异是设计者为了避免塑料件的过早失效。
应用及特性
在汽车业中塑料齿轮用于动力座椅、自动升降窗、点火系统、汽车刹车、各种各样的关闭和门闩系统；齿轮的器械应用包含吸尘器、洗衣机传送系统、食物加工器、HVAC驱动器和手动混合器；在工业中，塑料齿轮应用在装配线滚筒、电动工具、水表和煤气表中；在电气设备中，塑料齿轮用作打印机、复印机、扫瞄仪、音频信号和图像装备中；在医雪上的应用，塑料齿轮用作药物自动输送装置；塑料齿轮还用作表、钟、和遮光窗帘的运动部分；户外用的齿轮包括割草机、树叶吸收工具、喷洒器和游泳池设备。

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图 1: 自润滑塑料齿轮可制成不同尺寸和结构的齿轮

自润滑塑料齿轮减少了油脂或油的应用，从而节省了成本，降低了维修费用；考虑拼装成箱的可能性，塑料齿轮相比较于金属齿轮的装配更便宜；模塑塑料齿轮的尺寸可以比金属齿轮尺寸更小，因此使用塑料齿轮的机器和装备的尺寸也可以相应的减小。
设计考虑
塑料的粘弹性大于金属，所以蠕变和变形成为塑料齿轮应用的主要问题。塑料在高温损失的强度大于金属，但是塑料高温性能的变化随树脂及增强剂的类型及用量的变化而变化。塑料的热导率只相当于金属的1-2%,当他们温度升高时，塑料齿轮维持高温的时间大于金属。一些塑料如尼龙可吸收大量的水份，易引起加工困难除非在模塑前进行干燥。一方面，尼龙齿轮吸收水份溶张，工程师在齿轮设计中必须考虑此因素；另一方面，水份降低了尼龙的拉伸强度，提高了冲击强度。

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图 2: 两相互啮合齿轮的磨耗率和材料的类型、
载重量、填料和添加剂的量相关

可采用不同的方法避免材料过热，一些塑料齿轮当摩擦严重时，需要外来的润滑油；当采用自润滑塑料作为齿轮时，设计者常常通过匹配相异的材料，如缩醛醇和尼龙66来减少其摩擦系数。相异材料的混合相比较于相同材料的混合可以减少生热。另一种控制摩擦热产生的方法是添加低摩擦系数的物质如聚四氟乙烯(PTFE)、硅氧烷或者石墨等。
大家都了解塑料作为齿轮的行为特性，因此工程师也知道，当金属变换成塑料时，什么样的调整可以使设计正常运作。
材料
在塑料齿轮中应用的塑料广泛的分成两种类型：结晶和无定型。一般，结晶和半结晶的材料包括：尼龙、缩醛醇、聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)，相比较于无定型材料如聚碳酸酯和聚醚酰亚胺(PEI)，其耐疲劳行更好。因此结晶塑料常常应用在需要极强的载荷和应力循环的环境下。无定型材料倾向于用在速度和载荷较低，且尺寸较小、精确的齿轮。

表1: 齿轮应用的主要树脂及其特性


    半结晶
  • 耐化学性
  • 抗疲劳
  • 高应力循环
  • 频率
已缩醛(RTP 800 系列): 坚硬, 抗蠕变和高强度、加工的低摩擦系数、高温稳定性、较好的耐热水性

脂肪族聚酮/ Carilon® ( RTP 4500): 和无定型聚合物一样，综合了刚性、强度和热性能；与半结晶聚合物一样具有较低的渗析性和耐化学性

液晶高分子(RTP 3400 Series): 高温条件下具有杰出的强度和耐化学性、耐候性和难燃；高流动性、象薄壁制件一样可快速形成厚壁制品
尼龙(RTP 200 系列): 相比较于绝大多数的聚合物，吸收更多的水份，影响加工性、尺寸稳定性和物理性能；然而当水份升高时，冲击强度显著升高和较好的能量吸收特性；低摩擦系数、较好的电性能和耐化学性能
对苯二甲酸丁二醇酯(RTP 1000系列): 快速结晶、模塑时间短、和很多工程塑料相比其模温较低、较好的尺寸稳定性、高热稳定性、耐化学性和较好的电性能
聚醚醚酮/PEEK™ (RTP 2200系列): 高温热塑性、耐化学性、高强度和难燃
酚醛硫醚(RTP 1300系列): 提供较好的性能平衡，包括耐高温性、阻燃性、耐化学性、流动性、尺寸稳定性和电性能
热塑性聚酰亚胺(RTP 4200系列): 耐热性、良好的物理性能、耐化学性和耐磨损性、自身阻燃性
    无定型
  • 精确零件
  • 低速
    低载荷
聚碳酸酯(RTP 300系列): 较好的冲击强度、耐热性和尺寸稳定性、在水矿物和有机酸中具有稳定性、优异的电性能
聚醚酰亚胺(RTP 2100系列): 提高温度具有较好的强度和硬度、长时间的耐热稳定性和尺寸稳定性，自身的阻燃性、耐烃、酒精和含卤溶剂

塑料齿轮应用的添加剂分为两类：一类是减少摩擦性，另一类是提高耐热性和机械性能。低摩擦添加物包括聚四氟乙烯、石墨和硅氧烷、及二硫化钼。提高强度和热性能的增强材料包括：玻璃和碳纤维。芳族聚酰胺纤维提高耐磨性、减少齿轮的摩擦系数。

表 2: 塑料齿轮一般的添加剂及他们的特点

聚四氟乙烯
在自身摩擦材料中，具有最低的摩擦系数。在零件的表面形成一层润滑薄膜，在开始磨合时期，可改性表面互配，承受较高的动态应力。
二硫化钼("Moly")
在尼龙表面形成较强和耐磨表面，当尼龙和金属摩擦时，二硫化钼填充在金属微观细孔中，使得金属表面光滑。
石墨
水下使用的理想润滑剂
硅氧烷
在一定的时间后，硅氧烷迁移到表面充当润滑剂的作用，一部分停留在材料内部作为基础树脂的一部分；在低压、高速应用的情况下，迁移减少表面开始磨损。
玻璃纤维
提高混合物的机械性能和热性能，提高摩擦系数和配合表面磨损性（通过添加润滑剂降低摩擦）。
碳纤维
提高混合物的机械性能和热性能，与树脂混合，其摩擦系数比纯树脂的摩擦系数低；与玻纤不同，碳纤维更柔软、磨损性更小；碳纤维可以驱散静电。
芳香族聚酰胺纤维
就是一般的凯夫拉，不是增强纤维，比碳纤维或者玻纤更软、耐磨性低，降低摩擦系数、增加耐磨性。

尼龙(聚酰胺PA)
尼龙的摩擦系数较低、耐化学性和良好的电性能。在尼龙中，尼龙46和尼龙66用作齿轮。尼龙46，具有一般尼龙的特点，同时在高温具有卓越的机械性能和耐磨性。
尼龙46的一些优势可在特殊用途的齿轮应用中体现出来。这种树脂（DSM）的制造商报道尼龙46，以Stanyl命名，具有不同的等级，可以用作汽车起跑工具，其温度达到130°C。该公司还报道：和烧结金属相比，由尼龙46制造的非润滑节流齿轮可节约40%的成本，同时可减少3-5dB的噪音。在汽车自动升降车窗上使用尺寸较小的尼龙46齿轮发动量和原来尺寸较大的发动量差不多，但是允许车窗厚度从145毫米见到126毫米。

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图 3: 自润滑等级尼龙46在高温85°C以上仍具有较好的性能

缩醛醇(Acetal)
缩醛醇坚硬、抗蠕变和一定的强度；虽然尼龙可在高温条件下操作使用，但是缩醛醇在相当大的温度范围内具有相当高的抗疲劳性和耐化学性。缩醛醇是工程聚合物在热水条件下分解最慢的化合物之一。通过添加聚四氟乙烯可提高缩聚醛的润滑性。自润滑缩聚醛齿轮可以用作食物和药物的加工仪器，以避免外来润滑剂的污染。

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图4: 缩醛醇齿轮在Maytag洗衣机中的应用，
与金属相比，噪音小、简单和质轻

聚醚醚酮(PEEK)
另一种高性能工程塑料齿轮材料是聚醚醚酮，在高温具有较好的性能，化学腐蚀性和极端的机械应力，同时本身具有一定的阻燃性和难燃性。商业上聚醚醚酮的制造商（Victrex)报道，该种材料可以在谐波驱动齿轮中使用，其温度必须在-55°C到150°C之间。（谐波驱动齿轮广泛用在航天航空和防御应用系统中)。事实上，聚醚醚酮可在260°C下连续使用。可以和所有的润滑剂相容应用在航天航空上，同时具有较好的滑动摩擦性。

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图 5: 在航天航空上应用的聚醚醚酮齿轮既有较好的
抗疲劳性及在高温的表现较好的性能

聚苯硫醚(PPS)
线性聚苯硫醚具有较高的耐高温性能、化学性能和抗疲劳性。聚苯硫醚酮常用作齿轮，把能量从汽车发动马达传送到刹车件上，其应用了聚醚醚酮在高温230° C仍有较好的尺寸稳定性；在工业泵中，聚苯硫醚齿轮能够抵抗热和腐蚀的流体；聚苯硫醚的尺寸稳定性也可以在电脑打印机上使用。

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图 6: 在非常苛刻的条件下，复印机的齿轮仍能保持尺寸稳定性

其它齿轮用树脂
液晶高分子(LCPs)在模具中具有较好的流动性，可以制成比较小、薄壁齿轮，如应用在手表上。同时，这些材料表现较好的耐高温性和抗化学腐蚀性，适合流体齿轮如在汽车上用作引擎石油的监视器。
聚酰亚胺(PEI)树脂具有高模量，本身阻燃、耐温和抗化学性能；润滑等级提供高耐磨性和减少噪音，可在170°C高温下连续使用；象其它无定型聚合物，聚酰亚胺具有较低的收缩性。

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图 7: 汽车上应用的LCP精确齿轮在高温油
或者其它腐蚀液体存在下未受损害

聚碳酸酯具有较好的耐磨性能，强度和尺寸稳定性，通过添加玻纤（质量百分比30%）可提高物理机械性能；未填充的聚合物，其润滑性不是很高，可通过添加聚四氟乙烯来提高润滑性。
结论
汽车、工业和器械齿轮元件者朝着低成本、质轻和低噪音的市场发展。因为不需要添加任何润滑剂，塑料齿轮具有较大的经济效率。本身不具有润滑性的塑料可通过添加填料来提高润滑性，同时可以提高塑料齿轮的物理机械性能。用塑料代替金属齿轮要求这两种材料之间具有强烈的不同。相比于目前的齿轮，树脂制造商和混合商正努力扩大塑料作为齿轮应用，朝着大尺寸和承载更大载荷的塑料齿轮方向发展。 12/24/2006

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