論尼龍齒輪變形的預防與研究

桂林電子中等專業學校 鄧琳娟

論尼龍齒輪變形的預防與研究

桂林電子中等專業學校 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性，嚴重情況下會出現傳動卡死，燒壞步進電機的情況發生，這對醫療儀器而言，是不可接受的。對此，MC901尼龍吸水變形的預防以及針對齒輪高低溫尺寸變化的控制設計是必要的進行的。

MC901尼龍；齒輪變形；吸水性

機械設計制造及其自動化是研究各種工業機械裝備及機電產品從設計、制造、運行控制到生產過程的企業管理的綜合技術學科。先進的設計制造技術正成為經濟發展和人民生活需要的主要技術支撐，機械設計制造及其自動化學科在國民經濟中處于極其重要的地位，它對其他技術領域起著支撐性作用，成為國民經濟各行業的基礎。齒輪是機械中連續傳遞運動和動力的基本元件。不同材料的齒輪應用在相對應的機械中。本文就MC 901尼龍齒輪進行探討。

MC 901尼龍又稱澆鑄尼龍，是一種新型改性尼龍。由于它質量低于常用金屬（鐵、銅、鋁），同時具有高強度，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，可降低電機的負荷，抗磨損，滿足長期免維護使用）因此近年來，MC901尼龍作為傳動齒輪在醫療器械行業上廣泛使用。

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境下進行。雖然MC901尼龍較尼龍PA66有一定改進，但是MC901尼龍吸水性仍然較大。吸水性大，會導致MC901尼龍長期放置后產生不規則的膨脹變形。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。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性，嚴重情況下會出現傳動卡死，燒壞步進電機的情況發生，這對醫療儀器而言，是不可接受的。對此，MC901尼龍吸水變形的預防以及針對齒輪高低溫尺寸變化的控制設計是必要的進行的。本文以某三級齒輪攪拌系統為例，針對MC901尼龍吸水變形以及高低溫尺寸變化的預防，展開一些研究與探討。

一、MC901齒輪系統簡介與關鍵變形尺寸

該攪拌系統采用三級傳動，大齒輪為動力齒輪，逐級升速，最終帶動小齒輪高速旋轉。小齒輪中間通孔帶扁位構，攪拌棒放入小齒輪其中，小齒輪帶動攪拌棒旋轉進行溶液攪拌。該系統齒輪尺寸較小，起停時間要求在2S內，故對電機以及齒輪有較高的要求。以中間齒輪為例，模數0.6，分度圓直徑mm，齒數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。如果不采取一定預防措施，使用過程中必定會導致卡死情況發生。故對小型MC901齒輪運行可靠性的控制，可從吸水性與高低溫膨脹變形兩方面進行。

二、MC901齒輪吸水性變形處理

1.預防未作處理時，對該齒輪系統變化研究

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）實測為D1=51.55，公法線尺寸17.533（-0.079/-0.132）實測17.43mm，質量M1=10.5g在常溫環境下（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，質量為M2=10.55g，通過計算可知其吸水性(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）齒輪系統實際傳動效果對比

放置前，使用步進電機驅動該齒輪系統，最小齒輪轉速為5000轉/分。經過6個月放置時間，使用同一步進電機驅動，小齒輪在5000/分要求下，出現了卡死狀況。降低轉速驅動，發現該系統小齒輪只能在1000轉/分下運轉。使用手撥動齒輪，已發現有明顯的卡滯感。

（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量分數10%的水分，在一般濕度環境下也同樣能吸收質量分數2%到4%的水分，導致體積膨脹從而造成尺寸變化。而加工時候處于冬季，經歷春天雨季以及夏天高熱高濕環境后，齒輪吸收環境中的水分子，從而讓齒輪脹大變形。這勢必影響到齒輪相關的傳動尺寸，使得傳動效果大大降低。同時，使用加濕器進行了人工加濕實驗。人工加濕后，得到的效果與自然環境下放置基本相同。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境中，也會出現析出水分子情況，這會導致材料體積變小，尺寸發生變動。利用人工加濕過的齒輪進行干燥處理，觀察其變化是否會影響齒輪傳動。干燥處理過程分為環境干燥與人工干燥兩種情況。在濕度10%環境下，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境濕度相差比例不一致，從而導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。可利用此作為支點解決問題。

（2）預防方案

在尼龍MC901吸水不可避免的情況下假設使用人工加濕毛胚料，再進行精加工。根據析出實驗得出的數據可知，在環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，從而根本上解決該問題。

（3）預防與控制措施

使用新MC901棒料進行初加工。毛胚料進行24H人工加濕處理。之后進行滾齒，加工圖紙要求尺寸。此時輪公法線長度，齒頂直徑直徑。進行自然去濕驗證，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。進行運行試驗，此套齒輪攪拌系統滿足攪拌轉速再5000轉/分。由此可見此工藝是有效的。

最終確定加工工藝：領料→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.高低溫實驗數據

對中間齒輪進行高低溫測試。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次進行高，低循環，記錄數值。通過實驗對比，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.齒輪系統實際傳動效果對比

在標準設計兩齒輪中心矩中，高溫條件下，齒輪齒頂直徑與公法線尺寸變大，會導致齒輪運行卡死。低溫條件下齒輪齒頂直徑與公法線尺寸變小，造成運行沒有出現卡死。樣機就出現過零件在夏季出現卡死，而在冬季順暢運行的情況。

3.失效原因分析

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

4.研究與預防

特性無法避免，需要從設計上進行改進。

根據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，從而保證順暢運行。但此法會導致齒輪運行噪音的增大。因此還需增加潤滑，降低噪音。

通過設計，三個齒輪兩兩中心距分別為49.2mm,31.2mm加大尺寸變為49.35mm,31.35mm.安裝齒輪驗證。置于高溫42攝氏度 12小時候運行，低溫0攝氏度環境中12小時后運行。該系統能夠順暢運轉。

針對噪音問題，需要添加潤滑油進行。該齒輪系統為開始運行，沒有封閉的齒輪箱，故選用潤滑油應有一定的粘度，防止在高速運行過程中齒輪油甩出的情況發生。同時也需要注意，粘度太大，會加大步進電機的負載，影響該齒輪系統的傳動，甚至出現卡死的情況。潤滑油選用，采用了甩出實驗：1.保證涂抹的潤滑油后該系統可以順暢運行；2.將潤滑油涂抹與各齒輪間，齒輪系統四周用白紙保護，高速旋轉時，觀察白紙是否出現油印。運行24小時，已無油印為合格。經過驗證，選用嘉實多PD2高速潤滑油。添加潤滑油后，在低溫時出現的噪音明顯減小，滿足使用要求。

最終設計方法確定：針對MC901尼龍高低溫特性，根據使用環境高低溫進行實驗，確定齒頂直徑高低溫差值，適當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行。

四、結語

在使用MC901尼龍作為齒輪傳動時，為保證其長期運行穩定順暢。可從吸水性與高低溫變化兩個點進行控制。吸水性主要從加工工藝上解決（利用粗制毛胚，加濕處理，滾齒保證尺寸穩定性）高低溫變化則是設計上通過增加齒輪間軸間距進行調整，為減小增大軸間距帶來的噪音，添加適當的潤滑油降噪。

[1]歐陽志喜,石照耀.塑料齒輪設計與制造[M].北京:化學工業出版社,2011.

[2]吳海宏.現代工程塑料[M].北京:機械工業出版社,2009.