非金屬材料在某些機械傳動中應用的優越性

肖澤民

（佛山市南華儀器股份有限公司，廣東 佛山 528251）

0 前言

在工業生產的過程中，要用到的機械設備多種多樣，而這些機械設備在性能方面存在差異，有些差異還比較大。但其構成系統是基本一樣的，例如傳動系統、原動力系統等。如果任何一個系統出問題，對機械設備的功能都會造成極大影響。在機械制造領域傳動技術是極為重要的。機械傳動和其他傳動方式相比，效率高、更容易控制，并且有著較高的精確度，能較快反應，有一定的研究探索價值。

在機械傳動設計中，傳動零件的材料多為金屬，在大型機械設備設計中有其優點，其剛性、強度以及制造加工工藝易得于實現。在國外，小型機械設備、精密儀器中的傳動零件廣泛采用了非金屬材料，非金屬材料的發展已經成為國民經濟發展的重要支柱，其優點是密度小、強度高、加工簡單、生產成本低、用途廣泛以及生產效益顯著，這是金屬材料不能比擬的。筆者從中得到啟發，在實際工作中采用非金屬材料來設計傳動零件，并且取得了很好的效果。在此僅列舉一例來具體說明。

1 機械傳動技術的發展

按照活動方式的不同，可以將機械轉動分為摩擦、嚙合傳動2 種。在歷史的發展過程中，機械傳動技術歷史悠久，早在古代就有了指南車這類基于機械傳動原理的工具。其屬于嚙合傳動方式，運用的系統是復雜型的齒輪傳動。西方國家14 世紀就出現了非常精密的傳動齒輪，并在這一技術的帶動下得到了較大發展。蒸汽革命時代以后，機械傳動技術高速發展，高質量的金屬傳動齒輪在這一階段得到了運用，使傳動機械朝著精密化方向發展。同時，還有一種嚙合傳動得到了發展，即鏈傳動。這是在鏈條運行的基礎上實現的，例如自行車，其傳遞效率高，傳動功率不大，不會打滑，可適應各種惡劣的環境。但是，傳動系統平穩性比較差，成本比較高，傳動件容易出現磨損，而且會產生很大噪聲[1]。

當前，電動機、內燃機對機械傳動技術有了更高的需求，因此需要提升機械的設備性能，滿足機械系統的傳動需求。創新技術運用到了機械傳動領域中，尤其是嚙合傳動逐漸在航空領域中得到運用，并不斷對其動力進行深入研究。而實際上，現在這一技術仍在不斷研究、發展的過程中，同時開始出現了太陽輪、齒式聯軸器技術、高重合度齒輪優化技術等多種技術。當前的機械傳動技術含量越來越高，正向著高度集成化、智能化、綠化、非金屬化的方向發展。

2 非金屬材料部件的性能分析

2.1 非金屬材料部件的性能指標

非金屬材料有別于金屬材料，其結合鍵主要是共價鍵和分子鍵。非金屬材料部件在設計初期應充分考慮其工作環境、部件受力情況、特殊性能要求及生產工藝性，選擇材料規格，確定材料的性能指標，除此之外，還應考慮成本、法規等方面的要求。

非金屬材料部件通常采用高分子材料，由于其分子量大，分子間的作用力可以滿足相應的力學性能，在設計非金屬材料部件時，應考慮部件失效的影響，建立材料的性能指標體系。非金屬材料的特性主要有化學穩定性好、線性膨脹系數低、機械強度高、耐磨抗蠕變、摩擦噪聲小、堅韌有彈性、絕緣性好、生產成本低、合成簡單、工藝性良好。通用工程材料中的POM 常應用于齒輪、軸承等滑動和滾動機械部件中。

2.2 非金屬材料部件安全系數選取原則

設計安全系數是部件的失效應力與設計應力的比值，是機械傳動設計中衡量產品可靠性的重要指標。設計安全系數的主要影響因素有材料特性、部件復雜程度、使用壽命及可重復性等[2]。

金屬材料通過應力-應變曲線可以得出明顯的屈服極限，但大多數的非金屬材料的應力-應變曲線沒有明顯的屈服極限，其失效應力為強度極限。設計非金屬材料的許用應力時，應考慮部件的安全載荷和設計安全系數，根據經驗，非金屬材料的設計安全系數一般為2.0～5.0，并根據不同的工作環境和工藝方法選擇相應的安全系數。

3 設計具體情況

3.1 設計要求

該文以微型手動式前照燈檢測儀為例（如圖1 所示），該傳動機構的傳動部分分為上下、左右傳動2 個部分，旋轉左右旋轉手輪使光接收板沿左右方向移動，旋轉上下旋轉手輪使光接收板沿上下方向移動。由于該儀器是微型檢測儀，要求操作簡單可靠，且在使用中會受到光路系統尺寸的限制，應保證其傳動系統的外形尺寸要小、結構簡單，為避免因整體質量過重造成檢測誤差較大，該傳動機構質量不易過重。

3.2 設計方案

在試制過程中，上下傳動機構（如圖1 所示）中的螺旋器原先采用錫青銅（QSn4-4-4），裝配完成后發現操作極為困難，旋轉手輪需要很大的力，光接收屏幕板不能保證勻速運動，容易超出極限位，屏幕板與螺旋器接觸部位有嚴重的磨損現象，且運動過程中伴有金屬之間摩擦的噪聲。在各運動副面添加潤滑脂仍無明顯改善[3]。同樣，在左右傳動機構中，滑塊材料原為灰鑄鐵（HT150），旋轉手輪時不是很順暢，明顯感覺受到一定的阻力，降低傳動機構的使用壽命，影響檢測儀測量精度。經過初步分析，可能是由于螺旋器重量較重，加上其與光接收屏幕為線接觸，使得整個上下傳動系統的摩擦力很大，操作困難。左右傳動中的滑塊的內螺紋為矩形螺紋，發現其加工面較粗糙，如果要對傳動表面的粗糙度進行加工，所需成本較高，且加工廠方現有設備及現有技術很難保證零件的設計符合要求。

3.3 設計更改方案

聚甲醛（POM）是一種高結晶的線性塑料聚合物，作為常用的工程材料其具有硬度高、抗拉伸、抗沖擊強度好、彈性模量好、幾何尺寸不變、使用溫度范圍廣、較好的耐蠕動性等特點。聚甲醛（POM）的力學性能與金屬材料接近，材料強度可達50 MPa，材料剛度可達2 600 MPa，抗沖擊強度高且不受溫度變化的影響。POM 的蠕變性強，在常溫、20 MPa下作用3 000 h 僅為2.3%，加工樣表面光滑，摩擦系數小，自潤滑性好，工作噪聲小[4]?；谝陨蟽烖c，為解決原傳動機構產生的問題，采用聚甲醛（POM）材料制成的樣件。

將螺旋器的材料由原來的錫青銅（QSn4-4-4）改為聚甲醛（POM），更換材料后，在其與光接收屏幕的運動副面上涂上少許硅脂，旋轉手輪，發現比以前輕松許多，光接收屏幕板也無磨損現象，也消除了噪聲，經過一段時間的磨合，螺旋器與光接收屏幕板之間有原來的線接觸改為面接觸，減少了磨擦阻力。在左右傳動中，滑塊的材料也由原來的灰鑄鐵（HT150）改為聚甲醛（POM），由于其加工性比灰鑄鐵好，其加工面的質量得到明顯提高，其本身具有良好的自潤滑性能、耐磨性能，所以取消了原來的潤滑零件。通過更改零件材料，使整個傳動系統的操作性能得到很大提高。

4 結語

當前，現代工業的各個生產環節都無法離開機械設備，其也是當前生產的主要工具，而機械設備功能的實現是需要以傳動系統作為支撐。機械傳動技術的發展潛力比較大，隨著高新技術在機械傳動領域中的運用，未來機械將一步步向自動化控制、智能化控制的方向發展，其節能和環保效果也會更好。使用上文所述方法成功更改傳動系統方案，大大降低了整臺儀器的操作強度，儀器總重量也有所減輕，同時也降低了制造成本。因此，在輕載荷、無潤滑或少潤滑的條件下設計各種耐磨受力傳動零件時，適當運用非金屬耐磨材料，不僅可以帶來諸多方便，而且也可取得良好的經濟效益。

圖1 上下傳動機構