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一、前言
在所有的標準齒輪應用中，塑料齒輪正在快速的取代金屬齒輪，主要應用在汽車、家用器械、工業(yè)機械、電腦和電氣及醫(yī)療設備。這是因為相比較于金屬器件，塑料齒輪的成本更低、重量較輕、加工設計靈活等優(yōu)點。
第一代生產(chǎn)的塑料出輪必須使用潤滑劑，如油和油脂，減少磨損，延長使用的壽命；但現(xiàn)在應用的許多塑料齒輪不需要潤滑劑，原因是樹脂本身具有潤滑性，或者添加填料來降低其與其他齒輪接觸時的摩擦系數(shù)。
自潤滑或者非自潤滑的塑料齒輪并沒有減低取代金屬齒輪。當在高溫、壓力和其它應力環(huán)境下，塑料與金屬具有不同的表現(xiàn)；這些差異是設計者為了避免塑料件的過早失效。
二、應用及特性
在汽車業(yè)中塑料齒輪用于動力座椅、自動升降窗、點火系統(tǒng)、汽車剎車、各種各樣的關(guān)閉和門閂系統(tǒng)；齒輪的器械應用包含吸塵器、洗衣機傳送系統(tǒng)、食物加工器、HVAC驅(qū)動器和手動混合器；在工業(yè)中，塑料齒輪應用在裝配線滾筒、電動工具、水表和煤氣表中；在電氣設備中，塑料齒輪用作打印機、復印機、掃瞄儀、音頻信號和圖像裝備中；在醫(yī)學上的應用，塑料齒輪用作藥物自動輸送裝置；塑料齒輪還用作表、鐘、和遮光窗簾的運動部分；戶外用的齒輪包括割草機、樹葉吸收工具、噴灑器和游泳池設備。
圖 1: 自潤滑塑料齒輪可制成不同尺寸和結(jié)構(gòu)的齒輪 (來源: 通用電氣塑料.)
自潤滑塑料齒輪減少了油脂或油的應用，從而節(jié)省了成本，降低了維修費用；考慮拼裝成箱的可能性，塑料齒輪相比較于金屬齒輪的裝配更便宜；模塑塑料齒輪的尺寸可以比金屬齒輪尺寸更小，因此使用塑料齒輪的機器和裝備的尺寸也可以相應的減小。
三、設計考慮
塑料的粘彈性大于金屬，所以蠕變和變形成為塑料齒輪應用的主要問題。塑料在高溫損失的強度大于金屬，但是塑料高溫性能的變化隨樹脂及增強劑的類型及用量的變化而變化。塑料的熱導率只相當于金屬的1-2%,當他們溫度升高時，塑料齒輪維持高溫的時間大于金屬。一些塑料如尼龍可吸收大量的水份，易引起加工困難除非在模塑前進行干燥。一方面，尼龍齒輪吸收水份溶張，工程師在齒輪設計中必須考慮此因素；另一方面，水份降低了尼龍的拉伸強度，提高了沖擊強度。
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圖 2: 兩相互嚙合齒輪的磨耗率和材料的類型、載重量、填料和添加劑的量相關(guān)(來源: DSM.)
可采用不同的方法避免材料過熱，一些塑料齒輪當摩擦嚴重時，需要外來的潤滑油；當采用自潤滑塑料作為齒輪時，設計者常常通過匹配相異的材料，如縮醛醇和尼龍66來減少其摩擦系數(shù)。相異材料的混合相比較于相同材料的混合可以減少生熱。另一種控制摩擦熱產(chǎn)生的方法是添加低摩擦系數(shù)的物質(zhì)如聚四氟乙烯(PTFE)、硅氧烷或者石墨等。
大家都了解塑料作為齒輪的行為特性，因此工程師也知道，當金屬變換成塑料時，什么樣的調(diào)整可以使設計正常運作。
三、材料
在塑料齒輪中應用的塑料廣泛的分成兩種類型：結(jié)晶和無定型。一般，結(jié)晶和半結(jié)晶的材料包括：尼龍、縮醛醇、聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)，相比較于無定型材料如聚碳酸酯和聚醚酰亞胺(PEI)，其耐疲勞性更好。因此結(jié)晶塑料常常應用在需要極強的載荷和應力循環(huán)的環(huán)境下。無定型材料傾向于用在速度和載荷較低，且尺寸較小、精確的齒輪。
塑料齒輪應用的添加劑分為兩類：一類是減少摩擦性，另一類是提高耐熱性和機械性能。低摩擦添加物包括聚四氟乙烯、石墨和硅氧烷、及二硫化鉬。提高強度和熱性能的增強材料包括：玻璃和碳纖維。芳族聚酰胺纖維提高耐磨性、減少齒輪的摩擦系數(shù)。
（1）尼龍(聚酰胺PA)
尼龍的摩擦系數(shù)較低、耐化學性和良好的電性能。在尼龍中，尼龍46和尼龍66用作齒輪。尼龍46，具有一般尼龍的特點，同時在高溫具有卓越的機械性能和耐磨性。
尼龍46的一些優(yōu)勢可在特殊用途的齒輪應用中體現(xiàn)出來。這種樹脂（DSM）的制造商報道尼龍46，以Stanyl命名，具有不同的等級，可以用作汽車起跑工具，其溫度達到130℃。該公司還報道：和燒結(jié)金屬相比，由尼龍46制造的非潤滑節(jié)流齒輪可節(jié)約40%的成本，同時可減少3-5dB的噪音。在汽車自動升降車窗上使用尺寸較小的尼龍46齒輪發(fā)動量和原來尺寸較大的發(fā)動量差不多，但是允許車窗厚度從145毫米見到126毫米。
圖 3: 自潤滑等級尼龍46在高溫85℃以上仍具有較好的性能(來源: DSM.)
（2）縮醛醇(Acetal)
縮醛醇堅硬、抗蠕變和一定的強度；雖然尼龍可在高溫條件下操作使用，但是縮醛醇在相當大的溫度范圍內(nèi)具有相當高的抗疲勞性和耐化學性。縮醛醇是工程聚合物在熱水條件下分解最慢的化合物之一。通過添加聚四氟乙烯可提高縮聚醛的潤滑性。自潤滑縮聚醛齒輪可以用作食物和藥物的加工儀器，以避免外來潤滑劑的污染。
圖4: 縮醛醇齒輪在Maytag洗衣機中的應用，與金屬相比，噪音小、簡單和質(zhì)輕(來源: Ticona.)
（3）聚醚醚酮(PEEK)
另一種高性能工程塑料齒輪材料是聚醚醚酮，在高溫具有較好的性能，化學腐蝕性和極端的機械應力，同時本身具有一定的阻燃性和難燃性。商業(yè)上聚醚醚酮的制造商（Victrex)報道，該種材料可以在諧波驅(qū)動齒輪中使用，其溫度必須在-55℃到150℃之間。（諧波驅(qū)動齒輪廣泛用在航天航空和防御應用系統(tǒng)中)。事實上，聚醚醚酮可在260℃下連續(xù)使用?？梢院退械臐櫥瑒┫嗳輵迷诤教旌娇丈希瑫r具有較好的滑動摩擦性。
圖 5: 在航天航空上應用的聚醚醚酮齒輪既有較好的抗疲勞性及在高溫的表現(xiàn)較好的性能(來源: Victrex.)
（4）聚苯硫醚(PPS)
線性聚苯硫醚具有較高的耐高溫性能、化學性能和抗疲勞性。聚苯硫醚酮常用作齒輪，把能量從汽車發(fā)動馬達傳送到剎車件上，其應用了聚醚醚酮在高溫
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圖 6: 在非常苛刻的條件下，復印機的齒輪仍能保持尺寸穩(wěn)定性(來源: 聚合物塑料有限公司)
（5）其它齒輪用樹脂
液晶高分子(LCPs)在模具中具有較好的流動性，可以制成比較小、薄壁齒輪，如應用在手表上。同時，這些材料表現(xiàn)較好的耐高溫性和抗化學腐蝕性，適合流體齒輪如在汽車上用作引擎石油的監(jiān)視器。
聚酰亞胺(PEI)樹脂具有高模量，本身阻燃、耐溫和抗化學性能；潤滑等級提供高耐磨性和減少噪音，可在170℃高溫下連續(xù)使用；象其它無定型聚合物，聚酰亞胺具有較低的收縮性。
圖 7: 汽車上應用的LCP精確齒輪在高溫油或者其它腐蝕液體存在下未受損害(來源: 杜邦公司)
聚碳酸酯具有較好的耐磨性能，強度和尺寸穩(wěn)定性，通過添加玻纖（質(zhì)量百分比30%）可提高物理機械性能；未填充的聚合物，其潤滑性不是很高，可通過添加聚四氟乙烯來提高潤滑性。
四、結(jié)論
汽車、工業(yè)和器械齒輪元件者朝著低成本、質(zhì)輕和低噪音的市場發(fā)展。因為不需要添加任何潤滑劑，塑料齒輪具有較大的經(jīng)濟效率。本身不具有潤滑性的塑料可通過添加填料來提高潤滑性，同時可以提高塑料齒輪的物理機械性能。用塑料代替金屬齒輪要求這兩種材料之間具有強烈的不同。相比于目前的齒輪，樹脂制造商和混合商正努力擴大塑料作為齒輪應用，朝著大尺寸和承載更大載荷的塑料齒輪方向發(fā)展。
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