如何評(píng)估塑料齒輪的疲勞壽命和可靠性？
對(duì)工程技術(shù)人員面言，塑料齒輪使用壽命的評(píng)估與分級(jí)是一項(xiàng)非常艱難的任務(wù)。目前，尚無針對(duì)齒輪強(qiáng)度分析的國際標(biāo)準(zhǔn)可用，被業(yè)界普遍公認(rèn)的方法是德國VDI 2545標(biāo)準(zhǔn)所提出的準(zhǔn)則，除此之外，還缺少測(cè)量材料特性所需要的計(jì)算方法.
今天想和大家一起討論下關(guān)于塑料齒輪使用壽命的估算問題，包括如何對(duì)塑料齒輪使用壽命進(jìn)行評(píng)級(jí)，如何處理缺乏可用材料數(shù)據(jù)的問題，使其適合于有效的計(jì)算方法，塑料齒輪的數(shù)量正在急劇增多，主要原因是齒輪傳動(dòng)的很多新的應(yīng)用被開發(fā)出來，同時(shí)適合于做齒輪的新的材料的不斷涌現(xiàn)，比如蘇州維本工程塑料Wintone Z33耐磨靜音齒輪專用工程塑料，解決了近二十年來傳統(tǒng)的POM和尼龍齒輪材料降噪、良好的傳動(dòng)扭力和可靠的耐磨耐疲勞壽命這三方面難以兼顧的問題，大大拓寬了各類減速齒輪箱在靜音要求比較高、同時(shí)又要耐疲勞優(yōu)異的應(yīng)用場(chǎng)景。與鋼等金屬相比，塑料的屬性發(fā)生變化的范圍更大，完全可以基于包括強(qiáng)度、耐磨性、剛度、阻尼和噪聲大小等材料屬性，來選擇其中一種來滿足某一特定要求的高性能工程塑料。
盡管塑料齒輪的應(yīng)用越來越多，但與用于金屬齒輪的研究資源相比，塑料齒輪的科學(xué)研究水平和資源相對(duì)比較欠缺，可用標(biāo)準(zhǔn)之少便是反映該狀況的一個(gè)典型例子，相比分別用于金屬齒輪的AGMA 2001和ISO 6336標(biāo)準(zhǔn)， 用于圓柱塑料齒輪強(qiáng)度分析的標(biāo)準(zhǔn)就只有德國的VDI 2545.AGMA 909-A 06、ANSI/AGMA 1006-A 97和ANSI/AGMA 1106-A 97，雖然是用于塑料齒輪，但僅僅是在德國使用。
ANSI/AGMA 920-A 01只提供了大量關(guān)于塑料材料齒輪應(yīng)用的說明， 并闡述了典型的檢測(cè)程序， 但并沒有被真正推廣使用。而VDI 2545已被廢除，并且在整體上缺乏對(duì)塑料齒輪的研究。因此，在沒有可用標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)的材料研究數(shù)據(jù)情況下，設(shè)計(jì)人員要掌握如何成功的設(shè)計(jì)新的塑料齒輪，還必須依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。
通常金屬齒輪是通過按范成原理加工生產(chǎn)的，塑料齒輪大多數(shù)是注塑成型的，如果模具齒輪型腔是采用電火花慢走絲線切割工藝制造，那么無需額外的成本就能進(jìn)行齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)；但對(duì)于范成方法加工齒輪來說，則需要專用切齒刀具和增加試驗(yàn)成本才能實(shí)現(xiàn)。另一方面， 模塑齒輪的精度通常相對(duì)會(huì)低一些（ISO 9-10級(jí)) ， 這個(gè)問題需要在今后采用新的材料和特殊的工藝方法來解決。塑料齒輪輪齒兩側(cè)還可能優(yōu)化設(shè)計(jì)為非對(duì)稱齒廓，被有些文獻(xiàn)稱之為雙壓力角齒形。
在高負(fù)載和大幅溫升同時(shí)發(fā)生、并且長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)生的齒輪傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景中，蘇州維本工程塑料Wintone T31耐熱蠕變、高扭力耐磨齒輪專用料，讓您的塑膠齒輪從低溫零下40攝氏度到高溫125攝氏度，并且在長(zhǎng)期持續(xù)的高負(fù)載情況下，Wintone T31塑膠齒輪的傳動(dòng)扭力和變形量,可以保持幾乎不變。
在高耐磨行星減速齒輪箱塑膠行星齒輪和內(nèi)齒圈、蝸輪蝸桿減速齒輪箱塑膠蝸輪和塑膠斜齒輪、電動(dòng)推桿塑膠斜齒輪等各類減速齒輪箱塑膠齒輪的應(yīng)用上，蘇州維本工程塑料Wintone T31高耐磨、超高扭力、高度耐熱蠕變性齒輪專用料，可以幫您解決傳統(tǒng)的齒輪材料可能遇到的一些問題：
1.玻纖增強(qiáng)PA66工程塑料，在溫度50攝氏度到150攝氏度的溫度區(qū)間內(nèi)，力學(xué)性能下降比較快，在齒輪傳動(dòng)升溫受力時(shí)易塑性變形而失效的問題，玻纖增強(qiáng)尼龍66齒輪扭力不夠和耐磨耐疲勞壽命不夠的問題；
2.傳統(tǒng)的POM齒輪和玻纖增強(qiáng)POM齒輪，耐熱蠕變性較差的問題；
3.PPS高溫塑料比較脆，易斷齒，齒輪傳動(dòng)噪音比較大的問題。
4.PA46高溫塑料的吸水率比較大，PA46齒輪的扭力和尺寸受水份影響比較大，玻纖增強(qiáng)PA46齒輪扭力不夠的問題。
5.PEEK高溫塑料對(duì)一些齒輪應(yīng)用的成本壓力比較高的問題。
T31高耐磨、超高扭力、高度耐熱蠕變性齒輪專用料，在齒輪應(yīng)用上的特點(diǎn)是：優(yōu)異的耐磨和耐疲勞壽命、可承受超大扭力、從室溫到高溫150攝氏度的范圍內(nèi)齒輪扭力變化很小、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、低吸濕。
塑料齒輪的強(qiáng)度分析
1、塑料齒輪的材料數(shù)據(jù)(沃勒曲線或SN曲線)
要對(duì)齒輪使用壽命進(jìn)行分級(jí)和優(yōu)化，在規(guī)定壽命期限內(nèi)的齒根、齒廓接觸和耐磨強(qiáng)度的計(jì)算是非常重要的。
與鋼質(zhì)齒輪一樣，塑料齒輪的特定參數(shù)(齒根和齒席接觸強(qiáng)度)是根據(jù)負(fù)載循環(huán)次數(shù)而確定的，塑料齒輪的這些參數(shù)主要受溫度、齒輪材料本身的特性和潤滑方式(油、油脂或干摩擦)的影響。對(duì)鋼質(zhì)齒輪來說，有齒輪強(qiáng)度計(jì)算值就足夠了，而塑料齒輪則必須有幾條S-N曲線。
根據(jù)VDI 2545標(biāo)準(zhǔn)中的塑料圓柱齒輪的強(qiáng)度分析方法， 是唯一被業(yè)界所了解的解決計(jì)算問題的方法，盡管該標(biāo)準(zhǔn)已在數(shù)年前被廢除，但因缺乏相應(yīng)的替代標(biāo)準(zhǔn)，所以仍然在繼續(xù)使用、目前， 德國Werner Krause教授和Jurgen Wassermann博士及其團(tuán)隊(duì)正在計(jì)劃研究該標(biāo)準(zhǔn)的替代者，但仍處于研究的初期階段。
通常，材料生產(chǎn)商會(huì)提供抗張強(qiáng)度值，前面提到的用于齒輪計(jì)算的數(shù)據(jù)是未知的，并且不能從抗張強(qiáng)度中推導(dǎo)出來，一種塑料的改性可能導(dǎo)致更高的極限強(qiáng)度，這樣將增加齒根強(qiáng)度，然而齒廓接觸和耐磨強(qiáng)度會(huì)因摩擦效應(yīng)而有所變化。
這個(gè)問題沒有簡(jiǎn)單有效的解決方法，材料屬性只能采用樣機(jī)檢驗(yàn)或在長(zhǎng)期的檢測(cè)試驗(yàn)中得到數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)情況下，為獲得如圖附3-1所示圖表中充足的數(shù)據(jù)點(diǎn)，沒有必要進(jìn)行上百次測(cè)量，而是通過選擇一些數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行精確插補(bǔ)，就可以繪制出精度很好的圖表。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)可以從已有的試驗(yàn)檢測(cè)或在檢查設(shè)備上通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中得到，而且該項(xiàng)工作具有重要意義。
2.塑料齒輪強(qiáng)度計(jì)算的總體過程
塑料齒輪的力學(xué)性能會(huì)受到溫度影響，所以要對(duì)塑料齒輪進(jìn)行評(píng)級(jí)，首先必須確定所對(duì)應(yīng)的溫度，這意味著基于環(huán)境溫度下，必須查明齒輪嚙合過程中因摩擦和黏彈性體滯后造成的功率損耗而導(dǎo)致局部發(fā)熱和散熱，以及最終的平衡狀態(tài)，齒輪強(qiáng)度計(jì)算過程。
3.溫度的估算
計(jì)算表面溫度和主體溫度有一些可用模型， 對(duì)于鋼質(zhì)齒輪， Blok的瞬時(shí)溫度觀點(diǎn)被用于分級(jí)安全系數(shù)的計(jì)算。對(duì)于塑料齒輪，Siedke采用了該模型。然而試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型并不適用于塑料齒輪。Taka nashi(日本名字高梨)用一種包含摩擦和變形部分的方法研究出了方程式，源于變形部分熱量的產(chǎn)生是基于沃伊特模型(彈簧-阻尼模型)。要平衡產(chǎn)生的熱，則散熱量就必須計(jì)算，那么通過生成熱量與散發(fā)熱量的差值就可以導(dǎo)出表面溫度和主體溫度。
Taka nashi模型被證實(shí)在實(shí)際應(yīng)用中是足夠精確的。盡管如此，難以確定所需的幾個(gè)參數(shù)，所以基于Hachman n和S trickle著作的另一種模型被普遍使用，該計(jì)算方法也是基于熱平衡原理。假設(shè)，由齒輪嚙合造成的功率損失所產(chǎn)生的熱量Q1與釋放到齒輪箱體內(nèi)部空間的熱量Q2相等，同時(shí)和由齒輪箱體釋放到周圍環(huán)境中的熱量Q3相等。這種方法推導(dǎo)出一個(gè)公式，該公式已在VDI2545標(biāo)準(zhǔn)中使用。
根據(jù)Hachmann和Swrickle理論計(jì)算的溫度結(jié)果，與試驗(yàn)中測(cè)得的溫度相比，齒根部分的計(jì)算溫度偏低，齒廓表面的計(jì)算溫度很高，計(jì)算溫度經(jīng)常會(huì)超過材料的熔點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)表明齒出現(xiàn)任何化的跡象， Erhard和Weiss出了一種修正的溫度計(jì)算方法，已把使用時(shí)間考慮進(jìn)去， 根據(jù)測(cè)量結(jié)果， 把75min的連續(xù)使用時(shí)間定義為永久性運(yùn)轉(zhuǎn)， 對(duì)于少于該使用時(shí)間的情況，引人fED系數(shù)來減小計(jì)算溫度。因?yàn)樵摴ぷ魇窃赩D I2545標(biāo)準(zhǔn)公布之后進(jìn)行的， 所以這個(gè)修正系數(shù)沒有包含在VDI 2545標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)算方程中。
溫度計(jì)算不僅是VDI 2545的關(guān)健點(diǎn)之一， 也是塑料齒輪常規(guī)計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)，由于上述問題，推薦采用一個(gè)固定溫度，對(duì)低速傳動(dòng)齒輪（圓周速度小于5m/s),VDI2545標(biāo)準(zhǔn)推薦使用周圍環(huán)鏡溫度。
4.塑料齒輪強(qiáng)度分析的基本方程式
VDI2545基于DIN 3990,并適用于塑料齒輪。因此，這兩個(gè)公式與DIN3990中的公式接近，而因ISO 6336和DIN 3990的主要公式是相同的，所以也跟ISO 6336中的公式接近。
5.塑料齒輪輪齒的變形
對(duì)比塑料和鋼，很明顯塑料的楊氏模量大約比鋼小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，例如：聚甲醛2800N/mm2對(duì)比鋼206000N/mm2。雖然大多數(shù)齒輪依據(jù)強(qiáng)度要求來分級(jí)，而塑料齒輪輪齒的相對(duì)變形量要比金屬齒輪來的大，這樣就增大了對(duì)輪齒變形量檢測(cè)的必要性。
在各類減速齒輪箱塑膠齒輪的應(yīng)用上，蘇州維本工程塑料Wintone Z33耐磨靜音齒輪專用工程塑料，可以幫助您解決以下問題：
1.POM和PA66齒輪噪音比較大，耐磨耐疲勞性不夠的問題，POM齒輪易斷齒的問題。
2.PA12和TPEE齒輪，太軟扭矩太小，耐磨性不夠，在60攝氏度以上時(shí)，扭力下降比較快。
3.POM和PA66齒輪的耐腐蝕性不夠，POM齒輪和注塑功能件易磨損粉屑化的問題。
4.尼龍46齒輪的降噪性不夠，尺寸受水份影響比較大。
Z33材料作為一款強(qiáng)韌耐磨型工程塑料，在齒輪應(yīng)用上最顯著的特點(diǎn)是：耐磨、靜音、耐腐蝕、強(qiáng)韌且不受水份影響。Z33材料的典型成功應(yīng)用為：微小型減速齒輪箱、電動(dòng)推桿、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS齒輪、按摩器齒輪、汽油機(jī)凸輪、電助力自行車中置電機(jī)齒輪、電動(dòng)剃須刀等等傳動(dòng)齒輪。
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