桂林電子中等專業(yè)學(xué)校 鄧琳娟

論尼龍齒輪變形的預(yù)防與研究

桂林電子中等專業(yè)學(xué)校 鄧琳娟

MC901尼龍做為傳動齒輪，齒輪的變形，勢必影響到傳動的平穩(wěn)性，嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)傳動卡死，燒壞步進(jìn)電機(jī)的情況發(fā)生，這對醫(yī)療儀器而言，是不可接受的。對此，MC901尼龍吸水變形的預(yù)防以及針對齒輪高低溫尺寸變化的控制設(shè)計(jì)是必要的進(jìn)行的。

MC901尼龍；齒輪變形；吸水性

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化是研究各種工業(yè)機(jī)械裝備及機(jī)電產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行控制到生產(chǎn)過程的企業(yè)管理的綜合技術(shù)學(xué)科。先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)正成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活需要的主要技術(shù)支撐，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)科在國民經(jīng)濟(jì)中處于極其重要的地位，它對其他技術(shù)領(lǐng)域起著支撐性作用，成為國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的基礎(chǔ)。齒輪是機(jī)械中連續(xù)傳遞運(yùn)動和動力的基本元件。不同材料的齒輪應(yīng)用在相對應(yīng)的機(jī)械中。本文就MC 901尼龍齒輪進(jìn)行探討。

MC 901尼龍又稱澆鑄尼龍，是一種新型改性尼龍。由于它質(zhì)量低于常用金屬（鐵、銅、鋁），同時具有高強(qiáng)度，良好的回彈性，耐磨自潤滑性，低噪音，耐腐蝕性，非常適用與充當(dāng)齒輪材料。使用MC尼龍材料制作齒輪，比鋼制齒輪有著更好的加工性，低噪音與低成本。（例如同等條件下，利用MC901齒輪替代鋼制齒輪，可降低電機(jī)的負(fù)荷，抗磨損，滿足長期免維護(hù)使用）因此近年來，MC901尼龍作為傳動齒輪在醫(yī)療器械行業(yè)上廣泛使用。

尼龍分子中含有大量的含有親水基——酰胺基，因此容易與水分子形成氫鍵而吸濕。而該吸濕性可在常溫環(huán)境下進(jìn)行。雖然MC901尼龍較尼龍PA66有一定改進(jìn)，但是MC901尼龍吸水性仍然較大。吸水性大，會導(dǎo)致MC901尼龍長期放置后產(chǎn)生不規(guī)則的膨脹變形。同時尼龍MC901作為塑料齒輪，在高低不同的溫度下，會有不同的膨脹率，也就意味這齒輪在不同的溫度下，會有不同的尺寸呈現(xiàn)。以上都是尼龍齒輪使用過程中不可避免的問題。而使用MC901尼龍做為傳動齒輪，齒輪的變形，勢必影響到傳動的平穩(wěn)性，嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)傳動卡死，燒壞步進(jìn)電機(jī)的情況發(fā)生，這對醫(yī)療儀器而言，是不可接受的。對此，MC901尼龍吸水變形的預(yù)防以及針對齒輪高低溫尺寸變化的控制設(shè)計(jì)是必要的進(jìn)行的。本文以某三級齒輪攪拌系統(tǒng)為例，針對MC901尼龍吸水變形以及高低溫尺寸變化的預(yù)防，展開一些研究與探討。

一、MC901齒輪系統(tǒng)簡介與關(guān)鍵變形尺寸

該攪拌系統(tǒng)采用三級傳動，大齒輪為動力齒輪，逐級升速，最終帶動小齒輪高速旋轉(zhuǎn)。小齒輪中間通孔帶扁位構(gòu)，攪拌棒放入小齒輪其中，小齒輪帶動攪拌棒旋轉(zhuǎn)進(jìn)行溶液攪拌。該系統(tǒng)齒輪尺寸較小，起停時間要求在2S內(nèi)，故對電機(jī)以及齒輪有較高的要求。以中間齒輪為例，模數(shù)0.6，分度圓直徑mm，齒數(shù)84齒，其要求公法線公差采用IT7。由于該套尺寸公差較小，齒輪變形，直接影響多種關(guān)鍵尺寸如：公法線長度，齒高，壓力角。在使用過程中影響該齒輪變形的主要是MC901材料特性：吸水性與高低溫膨脹率。如果不采取一定預(yù)防措施，使用過程中必定會導(dǎo)致卡死情況發(fā)生。故對小型MC901齒輪運(yùn)行可靠性的控制，可從吸水性與高低溫膨脹變形兩方面進(jìn)行。

二、MC901齒輪吸水性變形處理

1.預(yù)防未作處理時，對該齒輪系統(tǒng)變化研究

為了方便測量，選用齒輪共法線長度與齒頂直徑尺寸作為此次研究的尺寸變化衡量。

（1）尺寸變化研究

通過資料可知MC901吸水率0.49%(23℃水中浸泡24小時)

以中間齒輪為例，齒頂直徑尺寸51.6（-0.05/-0.1）實(shí)測為D1=51.55，公法線尺寸17.533（-0.079/-0.132）實(shí)測17.43mm，質(zhì)量M1=10.5g在常溫環(huán)境下（28℃，濕度%）放置6月后尺寸變化為齒頂直徑尺寸為D2=51.8，公法線尺寸為17.511，質(zhì)量為M2=10.55g，通過計(jì)算可知其吸水性(M2-M1)/M1*100%=（10.55-10.5）/10.5*100%=0.47%，齒定圓變化（D1-D2）/D1*100%=（51.8-51.55）/51.55*100%=0.48%。

（2）齒輪系統(tǒng)實(shí)際傳動效果對比

放置前，使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動該齒輪系統(tǒng)，最小齒輪轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分。經(jīng)過6個月放置時間，使用同一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，小齒輪在5000/分要求下，出現(xiàn)了卡死狀況。降低轉(zhuǎn)速驅(qū)動，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)小齒輪只能在1000轉(zhuǎn)/分下運(yùn)轉(zhuǎn)。使用手撥動齒輪，已發(fā)現(xiàn)有明顯的卡滯感。

（3）失效原因分析

這主要是由于尼龍分子本身含有親水酰胺基，它們從潮濕空氣中最高吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的水分，在一般濕度環(huán)境下也同樣能吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%到4%的水分，導(dǎo)致體積膨脹從而造成尺寸變化。而加工時候處于冬季，經(jīng)歷春天雨季以及夏天高熱高濕環(huán)境后，齒輪吸收環(huán)境中的水分子，從而讓齒輪脹大變形。這勢必影響到齒輪相關(guān)的傳動尺寸，使得傳動效果大大降低。同時，使用加濕器進(jìn)行了人工加濕實(shí)驗(yàn)。人工加濕后，得到的效果與自然環(huán)境下放置基本相同。自然放置：加濕前（10.48g）加濕后（10.53g）吸水率0.47%，人工加濕：加濕前（10.5g）加濕后（10.55g）吸水率0.47%。

2.研究與預(yù)防

（1）濕氣析出分析

MC901材料吸水過程，為親水基物理吸水過程。因此，加濕過的齒輪在自然干燥環(huán)境中，也會出現(xiàn)析出水分子情況，這會導(dǎo)致材料體積變小，尺寸發(fā)生變動。利用人工加濕過的齒輪進(jìn)行干燥處理，觀察其變化是否會影響齒輪傳動。干燥處理過程分為環(huán)境干燥與人工干燥兩種情況。在濕度10%環(huán)境下，自然放置時效，12個月后，齒頂直徑尺寸變化率-0.05%，以中間尺寸51.55算，變化范圍在0.02mm公法線尺寸變化率-0.045%，以中間尺寸17.506算，變化范圍0.014mm。人工干燥，在42攝氏度2H情況下，齒頂直徑尺寸變化率-0.1%，變化范圍0.04mm。公法線尺寸變化率-0.06%，變化范圍0.053mm。由此看出，在自然干燥情況下，水析出造成的尺寸變化幅度值滿足圖紙使用要求。這一變化的主要原因是MC901吸水前與吸水后飽和度與環(huán)境濕度相差比例不一致，從而導(dǎo)致吸水后自然析出較少，而未吸水時通過自然吸水較多的情況。可利用此作為支點(diǎn)解決問題。

（2）預(yù)防方案

在尼龍MC901吸水不可避免的情況下假設(shè)使用人工加濕毛胚料，再進(jìn)行精加工。根據(jù)析出實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可知，在環(huán)境中只有相對較少的水分子析出，由此使得齒輪尺寸變化范圍在圖紙范圍內(nèi)，從而根本上解決該問題。

（3）預(yù)防與控制措施

使用新MC901棒料進(jìn)行初加工。毛胚料進(jìn)行24H人工加濕處理。之后進(jìn)行滾齒，加工圖紙要求尺寸。此時輪公法線長度，齒頂直徑直徑。進(jìn)行自然去濕驗(yàn)證，10個月后齒輪公法線長度，齒頂直徑直徑均在貢茶范圍之內(nèi)。進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，此套齒輪攪拌系統(tǒng)滿足攪拌轉(zhuǎn)速再5000轉(zhuǎn)/分。由此可見此工藝是有效的。

最終確定加工工藝：領(lǐng)料→粗加工毛胚→人工加濕24H→滾齒→完成加工

三、MC901齒輪高低溫膨脹變形處理

1.高低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對中間齒輪進(jìn)行高低溫測試。測試方法：MC901齒輪密封（避免吸水造成干擾），先后放入放置于高溫42攝氏度 低溫0攝氏度環(huán)境中各12小時。期間記錄齒頂直徑直徑與公法線長度尺寸。然后5次進(jìn)行高，低循環(huán)，記錄數(shù)值。通過實(shí)驗(yàn)對比，齒輪齒頂直徑最大值與最小值相差0.15mm，公法線最大與最小值相差0.03mm。

2.齒輪系統(tǒng)實(shí)際傳動效果對比

在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)兩齒輪中心矩中，高溫條件下，齒輪齒頂直徑與公法線尺寸變大，會導(dǎo)致齒輪運(yùn)行卡死。低溫條件下齒輪齒頂直徑與公法線尺寸變小，造成運(yùn)行沒有出現(xiàn)卡死。樣機(jī)就出現(xiàn)過零件在夏季出現(xiàn)卡死，而在冬季順暢運(yùn)行的情況。

3.失效原因分析

尼龍相對鋼，熱膨脹系數(shù)較大。MC901理論線熱膨脹系數(shù)(23-100°C平均值)：80×10-6因此在不同溫度下會呈現(xiàn)不同尺寸數(shù)值。此特性無法避免。而在齒輪在使用過程中，必定會經(jīng)歷一年四季各種溫度變化，從而出現(xiàn)不同的尺寸。尤其在高溫天氣，影響特別明顯。

4.研究與預(yù)防

特性無法避免，需要從設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)。

根據(jù)齒頂直徑差值最大為0.15mm,可將齒輪間理論中心距加大0.15mm，從而保證順暢運(yùn)行。但此法會導(dǎo)致齒輪運(yùn)行噪音的增大。因此還需增加潤滑，降低噪音。

通過設(shè)計(jì)，三個齒輪兩兩中心距分別為49.2mm,31.2mm加大尺寸變?yōu)?9.35mm,31.35mm.安裝齒輪驗(yàn)證。置于高溫42攝氏度 12小時候運(yùn)行，低溫0攝氏度環(huán)境中12小時后運(yùn)行。該系統(tǒng)能夠順暢運(yùn)轉(zhuǎn)。

針對噪音問題，需要添加潤滑油進(jìn)行。該齒輪系統(tǒng)為開始運(yùn)行，沒有封閉的齒輪箱，故選用潤滑油應(yīng)有一定的粘度，防止在高速運(yùn)行過程中齒輪油甩出的情況發(fā)生。同時也需要注意，粘度太大，會加大步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，影響該齒輪系統(tǒng)的傳動，甚至出現(xiàn)卡死的情況。潤滑油選用，采用了甩出實(shí)驗(yàn)：1.保證涂抹的潤滑油后該系統(tǒng)可以順暢運(yùn)行；2.將潤滑油涂抹與各齒輪間，齒輪系統(tǒng)四周用白紙保護(hù)，高速旋轉(zhuǎn)時，觀察白紙是否出現(xiàn)油印。運(yùn)行24小時，已無油印為合格。經(jīng)過驗(yàn)證，選用嘉實(shí)多PD2高速潤滑油。添加潤滑油后，在低溫時出現(xiàn)的噪音明顯減小，滿足使用要求。

最終設(shè)計(jì)方法確定：針對MC901尼龍高低溫特性，根據(jù)使用環(huán)境高低溫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定齒頂直徑高低溫差值，適當(dāng)加大齒輪間的軸間距，使用合適的高速潤滑油降低噪音，使其滿足在各種適用溫度上的順利運(yùn)行。

四、結(jié)語

在使用MC901尼龍作為齒輪傳動時，為保證其長期運(yùn)行穩(wěn)定順暢?？蓮奈耘c高低溫變化兩個點(diǎn)進(jìn)行控制。吸水性主要從加工工藝上解決（利用粗制毛胚，加濕處理，滾齒保證尺寸穩(wěn)定性）高低溫變化則是設(shè)計(jì)上通過增加齒輪間軸間距進(jìn)行調(diào)整，為減小增大軸間距帶來的噪音，添加適當(dāng)?shù)臐櫥徒翟搿?/p>

[1]歐陽志喜,石照耀.塑料齒輪設(shè)計(jì)與制造[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2]吳海宏.現(xiàn)代工程塑料[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.