塑料齿轮强度设计之讨论

本帖将讨论塑料齿轮强度设计的基本原则和步骤，其中主要是对直齿圆柱齿轮传动，蜗轮蜗杆传动进行一些简单的分析，我的砖头扔出去，有玉的尽管砸过来。
先介绍一下大概的文章的行文思路。 先介绍一下POM的基本特性，后以POM料为例子，以一个虚拟的设计要求为基准，进行分析设计，给出分析的思路和计算公式，所有的内容仅供参考，如果对设计思路有不同见解，请积极跟帖讨论。

聚甲醛塑料（POM）
聚甲醛是指大分子链中含有氧化亚甲基重复结构单元的一类聚合物，学名为“聚氧化亚甲基”，英文简称POM。POM为第三大通用工程塑料。
POM依结构不同可分为“均聚POM”和“共聚POM”两种。由于结构不同，两种POM在性能上存在一定的差异，如均聚POM的密度、结晶度和力学性能稍高一些，而共聚POM的热稳定性、化学稳定性及加工性较好。共聚POM的用途较均聚POM广泛。
POM的突出性能为：力学性能和刚性好，接近金属材料，是替代铜、铸锌、铝等金属材料的理想材料；耐疲劳性和耐蠕变性极好；耐磨损、自润性和摩擦性好，与UHMWPE、PA、F4一起称为四大耐磨塑料材料；热稳定性和化学稳定性高，电绝缘性优良。
POM的缺点为密度大，耐酸及耐燃性不好，后收缩大且不稳定，尺寸稳定性差，耐候性不高。
POM广泛用于电子电器、机械、汽车、仪器仪表、建筑和日用品领域。日本40%用于电子电器、27%用于汽车；美国45%用于电子电器、17.5%用于汽车；西欧39%用于汽车。
1、聚甲醛塑料的性能
（1）一般性能      POM的外观为淡黄色或白色半透明或不透明的粉状或粒状，制品表面光滑并有光泽，硬而质密，与象牙相似。成型收缩率高达3.5%。易燃，其氧指数仅为14～16，火焰上端为黄色、下端为蓝色，熔融滴落，有刺激性甲醛味和鱼腥味。POM透气性小，仅为PE的几分之一。
（2）力学性能      POM的力学性能优异，比强度可达50.5Mpa，比刚度达2650Mpa，与金属十分接近。POM的力学性能随温度变化小，共聚比均聚稍大一些。
POM的冲击强度较高，但常规冲击不及ABS和PC；POM对缺口敏感，有缺口可使冲击强度下降90%。
POM的疲劳强度十分突出，104交变载荷作用后，疲劳强度可达35MPa，而PA和PC仅为28MPa。POM的耐蠕变性与PA相似，在20℃、21MPa、3000h时仅为2.3%，而且受温度影响小。
POM的摩擦系数小，耐磨性好（POM＞PA66＞PA6＞PC＞ABS＞HPVC＞PS），极限PV值很大，自润滑性好，适用于受力摩擦制品如齿轮和轴承的生产。
（3）热学性能      POM的长期耐热性不高，但短期可耐160℃，均聚POM短期耐热比共聚高10℃以上，但长期耐热共聚POM反而比均聚高10℃左右。
（4）电学性能      POM的电绝缘性较好，几乎不受温度和湿度的影响；介电常数和介电损耗角正切值在很宽的温度、湿度和频率范围内变化很小；耐电弧性极好，并可在高温下保持。POM的介电强度与厚度有关，厚度0.127㎜时为82.7Kv/㎜，厚度1.88㎜时为23.6Kv/㎜。
（5）环境性能      POM不耐强酸和氧化剂，对稀酸及弱酸有一定的稳定性。POM的耐溶剂性良好，可耐烃类、醇类、醛类、醚类、汽油、润滑油及弱碱等，并可在高温下保持相当的稳定性能。POM的耐候性不好，长期在紫外光作用下，力学性能下降，表面发生粉化和龟裂。
2、聚甲醛塑料的成型加工
（1）加工特性
POM熔体的流变性呈非牛顿型，其熔体的粘度对温度不敏感；对注塑而言，要增加流动性，可以从增加注塑速率、减小喷嘴尺寸等方面入手。
POM结晶度大，熔程窄，成型收缩大（可达3.5%）。对注塑厚制品，要注意保压和补料，以免造成收缩孔太大而报废。
POM的热稳定性差，温度过高或时间过长均会引起分解。特别是温度超过250℃，分解速度会加快，并溢出强烈刺激眼睛的甲醛气体，严重时制品会产生气泡或变色，甚至引起爆炸。因此，必须严格控制加工温度和停留时间，另外，还需加入抗氧化剂和双氰胺甲醛吸收剂。
POM的冷凝速度快，制品易产生表面缺陷如折皱、斑纹及熔接痕等。为此可用提高注射速度和提高模具温度等方法解决。
POM制品易产生内应力，后收缩也较大，需进行后处理。后处理的条件为：厚度
6㎜以下，温度100℃，时间0.25～1h；厚度6㎜以上，温度120～130℃，4～6h。
POM吸水率不高，但干燥处理可提高制品表面的光泽度。干燥的条件为：温度110～120℃，时间3～5h。
（2）POM可用注塑、挤出、吹塑及二次成型等方法加工，并以注塑加工为主。
3、聚甲醛塑料的改性品种
（1）增强POM
主要增强材料为玻璃纤维、玻璃微珠和碳纤维等，并以玻璃纤维最常用。增强后的力学性能可提高2～3倍，热变形温度提高50℃以上。
（2）高润滑POM
在POM中加入F4、石墨、二硫化钼、润滑油及低分子量PE等，可提高其润滑性能。例如，在POM中加入5份F4，可降低摩擦系数60%，耐磨性提高1～2倍；在POM中加入液体润滑油，可大幅度提高耐磨性和极限PV值。加入5%油的POM耐磨性提高72%，极限PV值可达3.9MPa·m/s，（纯POM为0.213MPa·m/s），是其它工程塑料的3～20倍。

下面是“夺钢”Duracon 的M90的性能数据表




“夺钢”的详细性能参数，可以参阅该公司官方网页：
http://www.polyplastics.com/Gidb ... 4&watchLevel=-1

同样的POM材料，分共聚和均聚两种，均聚的材料各项性能略高于共聚的性能，除了共聚POM的耐高温性能略强于均聚POM，但是在高负载下，共聚的耐高温性能也要低于均聚的POM材料。性能差别大约在10%左右。
   
    材料分国外和国内，delrin 和 Duracon总体上要可靠一些，delrin属于均聚物，Duracon属于共聚物。delrin的材料性能表只有最常见的性能数据，对于一些如强度和温度的关系，强度和寿命的关系，蠕变性能等参数都未见提供，仅提供一些参考公式供计算用；Duracon的数据相对比较全面，他们提供了强度和温度、寿命、材料、速度因素之间的关系。他们各自有不同的齿轮强度算法。具体算法会在后文中详细描述。
   
    材料也会分原材料和回收塑料之分，部分塑料可能会被循环使用，这样可以减少成本，但是材料的性能也会有一定的下降。如果可能，可以在塑料齿轮图上标明必须采用原材料，回收塑料不允许使用的字样。