塑料齿轮及其选材种类（PE、PP、PA、POM、PC、PEEK、PPS......）




齿轮以传递运动和动力为主要功能，在机械装备中具有举足轻重的作用。与金属齿轮相比，塑料齿轮具有质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好、耐腐蚀等诸多优点，而且具有易成型、制造成本低、设计灵活等特点。

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塑料齿轮的主要作用是传递运动和动力。在不同的工况环境下，需要对制作塑料齿轮的材料进行综合考虑，比如齿轮使用性能、工艺性能和经济性等。塑料齿轮的成型材料可以分为通用塑料、工程塑料和特种工程塑料及以其为基体的纤维增强塑料复合材料等。随着新材的不断涌现，塑料齿轮相比于金属齿轮的优势更为明显，还可以往齿轮中加入不同填料改变纯塑料齿轮的属性，提高齿轮的使用性能和寿命。

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通用塑料齿轮


用于齿轮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图1  各种塑料齿轮
它们产量大，价格低，用途广泛，但是同时也有很多的缺点，比如表面硬度低，容易被划伤；在环境应力的作用下发生开裂，导致失效；在齿轮啮合的过程中，由于热膨胀系数大，会产生大量的热，更容易发生蠕变，发生永久变形。因此，通用塑料齿轮不适合于承载能力高的场合，但适合制造用于玩具和医疗器件的齿轮。
通用塑料齿轮在强度、散热和承载方面表现较差，导致齿轮制造成型加工一般不使用单纯的通用塑料，而是需要共混物进行注塑成型。普通塑料与其他原料结合，可提高塑料齿轮的综合性能。通用塑料制成的齿轮容易发生失效，因此，生产齿轮一般使用工程塑料或者性能更高的塑料。

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工程塑料齿轮


工程聚合物是一种特殊的、高性能的合成塑料，具有优良的综合性能，刚性大，蠕变小，机械强度高，耐热性好，电绝缘性好，可在环境苛刻的场合下长期使用。设计得当可以被塑造成机械功能强的半精密部件或结构部件，并为替代金属齿轮实现“以塑代钢”提供可能。
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工程塑料又可以细分分为通用工程塑料和特种工程塑料2类，其中可以成型齿轮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)和热塑性弹性体、聚酰亚胺(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齿轮：
聚酰胺(PA)材料具有热塑性材料的硬度，有良好的抗冲击性能和冲击韧性。某些情况下比金属性能更好，已经广泛应用于齿轮、凸轮和轴承的制作。但是它的热变形温度相对较低；制品在放置后有较大的吸水性，产生的残余应力会造成制品表面缺陷，改变表面的厚度，使屈服强度增大，造成韧性降低；使用过程中也会产生蠕变性。因此，为提升PA的性能，可进行共混改性生成不同性能的共聚PA。
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PA齿轮在结晶度方面，属于半结晶材料，可实现从固体到熔体的急剧转变。PA在注塑成型时会受到结晶度的影响，研究人员通过对注塑成型PA66齿轮的研究发现，注塑过程中模具温度对制品的结晶度影响较大，球结晶在结晶过程中会有大小的变化，甚至最终导致制品的缺陷。
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PA齿轮在啮合磨损过程中存在热应力的问题，决定齿轮寿命的关键因素在于齿轮齿侧的热聚集，需要对齿轮的热应力进行预测，并将聚集的热消散出去，从而降低齿轮的啮合温度。
从齿轮的磨损行为出发，明确热应力产生的区域，首先需要观察的是PA齿轮失效形式，PA齿轮在高负载(10N·m以上)的条件下的磨损行为主要分为3个阶段：初始磨合阶段、线性磨损阶段和最后断裂阶段。初始磨损阶段历程较短，但是磨损量非常高；线性磨损阶段的磨损率较低；最后断裂阶段的齿面磨损率会迅速增加。
不同驱动材料的齿轮与PA齿轮啮合时，会对PA齿轮齿面产生不同形式磨损，当乙醛材料作为驱动轮时，PA齿轮齿面会有高热磨损，导致齿轮压力角增大，磨损加重，因此驱动齿轮材料在磨损失效中有关键的作用。
2.2 POM齿轮：
随着塑料齿轮的应用越来越多，应用要求已经从齿轮精度转向承载性能。聚甲醛(POM)材料良好的力学性能，可以集精度和承载为一身应用到齿轮的注塑成型。作为高结晶的线型聚合物，它是耐热塑胶的典范。通过注塑成型，POM材料可以制成坚硬致密的抗疲劳、抗磨损齿轮，具有冲击性好，摩擦系数小，自润滑性能好的优势，因此，POM是聚合物齿轮的首选工程材料。其缺点是成型制品时有收缩的趋势，并且容易产生缺陷。
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在POM齿轮的成型工艺条件方面，注塑过程中的注射速度、模具温度、锁模压力和冷却时间对POM齿轮的注塑成型有着重要的影响。
在POM齿轮的磨损失效方面，齿轮磨损会影响到齿轮的寿命，磨损与齿轮间的磨损系数有着紧密的联系，但磨损系数的评估的影响因素有很多需综合考虑。
2.3 PC齿轮：
聚碳酸酯(PC)材料属于无色的玻璃态无定型聚合物，具有高冲击强度、尺寸稳定性好、蠕变小和良好的加工成型性能等优点。但是在较高温度的影响下PC易发生老化，因此在较高温度下使用此种材料需要对制品表面进行保护，进而延长PC的使用寿命。
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PC制成的齿轮，由于材料无色透明，齿轮外观会十分精美，并且可安装在精密仪器仪表中，进行齿轮传动或者作为工艺装饰品，但其制成的齿轮会存在径向的齿形变，对于此种缺陷，需要进行精确地齿轮模拟仿真才可获得。
2.4 PEEK齿轮：
由于聚合物齿轮的要求越来越高，就需要使用工程塑料达到齿轮工况要求，聚醚醚酮(PEEK)具有优异的机械、化学和热性能，它比其他特种工程塑料更有优势。高温下的PEEK材料拉伸强度和弯曲模量依旧很高，并表现出可靠的耐蠕变和抗疲劳的性能，可以长期在200℃的高温下使用。PEEK齿轮也可在较大负载条件下实现动力传输，是当今模塑齿轮中的顶级工程材料。
009.jpgPEEK齿轮
PEEK齿轮在性能方面表现优良，在牙科中也有许多潜在的用途，PEEK具有较低的杨氏(弹性)模量和优良拉伸性能都接近人体骨骼，适合作为牙齿的替代物。但仍需对磨损失效进行探究分析，需要考虑载荷大小、环境条件以及滑移率等条件，并针对性地开展实验分析，如Fig.2所示。
010.png图2 磨损试验和故障检测
通过在使用双盘模拟PEEK齿轮的滚动滑动接触研究中，获得了一种齿轮的动态响应方法。将2个PEEK圆盘相互接触碰撞，随着载荷和滑移率的增加，PEEK圆盘的磨损、摩擦和温度也会增加(其磨损率明显低于其他聚合物的磨损)，发现在高滑移率和高负载条件下的失效主要是表面熔化和接触疲劳失效，因此，为设计出高性能的齿轮接触条件，需要将获得的结果与实际齿轮啮合过程联系起来。
2.5 PPS齿轮： 
聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸稳定性好，耐疲劳和耐化学性能的优点，是高温、腐蚀性环境中齿轮的首选材料，现在PPS齿轮已应用到汽车、特殊流体泵等苛刻的工作条件下。PPS可以与其他聚合物相互结合，从而达到良好的机械和摩擦性能，齿轮的磨损和传动性能也可得到提升。
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Chen等使用注塑机将PA66与PPS共混物注塑成型圆柱形摩擦副，进行磨损实验。获得了最优力学性能的共混物比例是PA66/PPS(70/30)，最小磨损的共混物比例是PA66/PPS(80/20)，并且磨损量会随着混合物中PPS含量的增多而增加。进一步开展了碳纤维(CF)增强PA66/PPS共混物的磨损性能实验，研究发现，当CF含量低于30%时，CF会导致摩擦副的耐磨性变差，而当CF含量高于30%时，会显着改善了摩擦副的磨损性能。另外，将聚四氟乙烯(PTFE)加入到PA66/PPS共混物中，发现共混物的力学性能下降，耐磨性却有很大的提高。

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纤维增强塑料齿轮

塑料齿轮具有质量轻、易成型、噪音小的优点，但它同时也有强度低、耐磨性差等缺点，因此制造塑料齿轮需要更高性能的材料，可以通过向材料中加入不同的添加物的方式来提高其强度。塑料齿轮的添加物一般分为2类，一类是减少摩擦，另一类是提高耐热性和力学性能。
使用聚四氟乙烯、石墨烯和硅氧烷等可以减少齿轮啮合时的摩擦；添加碳纤维和玻璃纤维可以提升齿轮的强度和热性能；提升耐磨性、降低齿轮的摩擦系数，可以使用芳族聚酰胺纤维。纤维具有拉伸强度高和吸收冲击能量好的优点，是一种简单有效提高齿轮强度的方法，为聚合物齿轮代替金属齿轮提供坚实的基础。
3.1碳纤维增强塑料齿轮：
碳纤维(CF)的拉伸强度和模量高，具备优异的拉伸性能、低密度、高热稳定性以及良好的导热和导电性，设计自由度高，可根据要求进行设计。碳纤维广泛应用于各个领域，将碳纤维的加入塑料齿轮中，由于碳纤维自身的刚性，可以改善齿轮的摩擦性能，在实现齿轮轻量化的基础上，提高齿轮的齿轮稳定性和耐磨性。
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根据碳纤维含量和种类的不同，对齿轮的增强效果和磨损失效表现不同。研究人员在对不同CF增强的PEEK齿轮进行研究和评价中，CF增强齿轮会因配对齿轮的种类、有无润滑剂等因素导致齿面产生不同磨损。干燥的稳定状态下，齿轮的磨损率很小；涂抹润滑剂后，也会因为啮合齿轮的不同而产生不同的磨损，研究人员推测是PEEK与CF的亲和性、CF磨屑在啮合区介入的差异以及CF的特性对齿轮影响，但仍需进一步验证分析。
在齿轮中填充材料方面，不同纤维和物质加入聚合物齿轮中会有不同的效果。研究人员等在对PEEK、CF增强PEEK和填充石墨、PTFE和CF增强PEEK进行摩擦学测试，发现未填充PEEK在实验中表现出较大的磨损；CF增强PEEK也表现出很低的耐磨性，具有更高的滑动和微磨料耐磨性；往CF增强的PEEK齿轮中再添加PTFE和石墨后，齿轮的摩擦系数急剧下降，表现出高擦伤性和几乎没有磨损的耐磨性，主要是因为填充有石墨和PTFE的碳纤维PEEK齿轮的保护性摩擦层，从复合材料转移到另一个齿轮上导致的。
3.2 玻璃纤维增强塑料齿轮：
由于玻璃纤维(GF)的直径小，在与基体材料结合后，表现出强度高、性能优良和产品设计自由度大的特点。在特定的应力水平和转速条件下，GF填充增强齿轮与未填充增强齿轮相比，GF填充齿轮强度、模量和导热性均表现优良，疲劳寿命延长。注塑制品内部纤维分布均匀，拉伸性能和抗弯强度均有较大提高，在汽车，航空航天和采矿等领域，被广泛应用在各种机械部件中。
GF的填充含量对齿轮性能提升有不同效果。研究发现28%的GF增强POM齿轮与未填充GF的POM齿轮相比性能显著增强，在负载能力方面，齿轮的承载提高50%；在表面结晶度方面，POM齿轮的结晶度会下降20%，并从SEM图像中获得GF增强POM齿轮的结晶度没有变化。实验测试后，POM齿轮内部纤维长度会减小，这是高负载情况下纤维断裂所致，导致局部弯曲阻力显着下降和齿轮齿面快速热失效。
不同GF取向会影响到齿轮的啮合磨损。为获得最佳性能的纤维填充齿轮，研究人员对GF增强PA66进行摩擦学研究，在高接触压力下、滑动和润滑条件下，GF沿垂直取向时，在对应钢啮合的材料上，观察到较大的侵蚀，造成纤维剥落和齿面划伤，这主要是摩擦和蠕变增加的原因；当纤维平行于滑动方向排列时磨损增加；在润滑油存在的情况下，磨损产生的碎屑导致的磨损会明显少于接触温度升高而产生的磨损。
3.3 芳纶纤维增强塑料齿轮：
芳纶纤维是一种合成纤维，具有超高的强度、高模量、质量轻等优点，可在高温下不分解，不融化，是很好的绝缘和抗老化材料。芳纶纤维填充齿轮可以减少齿轮的质量，使得齿轮朝小型化和高性能方向发展。
在芳纶纤维的效果方面，可以在与GF和CF的比较中得到，在研究人员对芳纶纤维、GF和CF增强PA66的双盘机试验中，GF和CF增强的材料可以使摩擦系数显著下降，而芳纶纤维不会改变PA66材料的摩擦性。芳纶纤维的磨损与时间呈线性关系，这导致增强PA材料制得制品的磨损率会随时间的变化而不断提高。
在两圆盘接触表面上，芳纶纤维会迅速地从接触表面移除，只留下基体材料，这种效果与提高材料的摩擦系数相似，造成磨损率显著高于未填充增强的材料，可能芳纶纤维只是抑制某些部位的裂纹扩展，导致磨损的碎片是大而薄的薄片。
齿轮的磨损特性决定着齿轮的应用工况。研究人员对PA46和PA46/芳纶纤维复合材料进行滑动滚动接触试验，在2%滑移率的条件下，PA46+15%芳纶纤维的摩擦系数最低，但在较高的负载和速度下却有着稳定的磨损率。实验发现，在任何载荷和速率条件下，PA46+芳纶纤维复合材料都会出现点蚀和大裂缝，最终断裂而失效。因此，PA46+芳纶纤维齿轮适合在低载荷和低速的工况下使用。
随着通用塑料到工程塑料的发展，塑料齿轮在质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好、耐腐蚀等多方面的优势得到体现。纤维增强塑料齿轮在保证轻量化的同时，强度和耐磨性得到进一步提升，塑料齿轮的应用场所和使用工况得到进一步拓展。