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工程材料拓展齿轮设计应用范围

工程材料拓展齿轮设计应用范围 2011年12月04日 来源： 聚酰胺46(PA46)材料具有70%的结晶度，在高温下展现出良好的耐磨性和摩擦性能，并且很好地保持了其机械性能，适用于需在高扭矩和高温下工作的齿轮应用。PA46具有多种适于齿轮设计的性能，并可通过不可逆的高温退火处理进一步增强。PA46材料在玻璃转化温度以上的高温下经退火处理后，其硬度和强度性能可提高50%，并且改善了抗疲劳性、耐磨性和摩擦性能。另外，与其它聚酰胺材料相比，PA46的独特优点在于，经退火处理后可降低材料的吸水量。重要的是，在高温下退火处理的部件公差由其线性热膨胀(CLTE)系数决定，而不是由吸水引起的尺寸变化决定。这里讨论几种PA46齿轮应用：起动电动机、自动开闭式车窗和动力转向齿轮。PA46简介聚酰胺46(PA46；PA46配方，Stanyl产品，由DSM工程塑料公司生产销售)制成的产品，在成型后进行退火处理可以大大增强产品的各种性能。处理后，可以降低产品的吸水量，改善其机械性能，硬度和强度性能可提高50%，增加分子量，并且有更好的抗疲劳性能。在PA46退火处理方面已经发展出了一系列有用的工程学知识，主要为日益广泛的PA46材料齿轮应用中提供技术支持。齿轮在应用中会受到各种不同应力，如切向力、径向力和(特别是在螺旋设计中)轴向力等等。有许多应用中，热塑性塑料已经替代了金属用于齿轮制造。与金属齿轮相比，工程热塑性塑料具有电气、机械和化学性能方面的优势；对润滑的要求极低，甚至无需润滑；重量轻；可以成型为更多的几何形状，制造速度快。PA46的结构PA46 (熔点为 295 ℃； Tg为 80 ℃) ，由己二酸和二氨基丁烷对称分子链组成(图1)。

(图中：聚酰胺的结构差别)图1. PA46(Stanyl)的链结构与PA66 和PA6 的链结构比较。

在PA46中，每个酰胺键都伴随有4个CH2成分。这些有规律的分子链保证了材料有70%左右的快速结晶度(PA66和PA6相比之下为50%，而聚邻苯二甲酰胺[PPA]为30%)。快速结晶不仅缩短了PA46的生产周期时间，也导致该材料呈现精细的球粒结构，并且有相对较高的冲击值——约10 kJ/m2，而PA6/66成型干燥(DAM)时为5～7 kJ/m2。更重要的是，PA46在高于玻璃转化温度时也保持了较好的硬度和强度(图2)。

图2. PA46与竞争性材料在高温下硬度比较 ，动态机械分析(DMA)图

在过去几十年中，聚酰胺 (PA)树脂——传统上是PA6和66(PA6/66)材料——广泛用于齿轮制造。问题在于，PA6/66材料无法承受较高的环境温度或扭矩/RPM产生的高温。与PA6/66相比，PA46的结晶度和玻璃转化温度(Tg)可提供更高的硬度和强度，因而PA46成为在这些应用中的理想材料。在成型后的退火处理进一步改善了这些工程性能。通过退火处理改善高温性能并减少吸水量退火处理可以改善PA46的材料性能。退火是在高于材料的Tg温度时对材料进行高温处理，但温度要低于其熔点。退火结果是不可逆的，因为退火时出现固态缩合使得分子量增加。■ 退火和降低吸水量聚酰胺的吸水量由材料的极性(亲水趋向)和结晶度决定。PA46为高极 >>性材料；另外，PA46的高结晶度也降低了吸水量，因为吸水过程只在材料的非晶相状态下发生。然而，尽管具有上述两个优点，PA46仍显示出较高的吸水程度 (表1)。

表 1. 在不同%的相对湿度下(RH)， PA46， PA66和PA6 的吸水量

PA46材料的吸水量更高，原因在于其非晶相状态下有相对较低的密度。冷却导致结晶和相对较高自由体积的非晶相链构象，易于吸水。PA46经退火处理后，可建立一种紧凑的非晶相状态，从而大幅降低材料的吸水量。PA46材料经退火处理后吸水量降低，从而减少了由于吸水引起的相关尺寸和机械变化(见表2)。

表 2. 退火处理前后，在100%相对湿度下暴露在水中，尺寸变化百分比* 230℃ 下经24 小时退火** 钢毂增加了径向膨胀

重要的是，在退火处理后，高温下工作的部件，其尺寸变化遵循线性热膨胀(CLTE)系数而不是吸水量，因此变化是可以预计的。

图 3. 在各种条件下退火后，与玻纤填充型(GF)PA66 和PPA 材料相比，GFPA46 材料的吸水量降低

■ 退火和机械性能变化 除了降低吸水量以外，退火也增强了PA46在高于Tg温度时的机械性能。图4的动态机械分析(DMA)曲线比较了未填充型PA46(DAM及退火处理)与PA66和POM三种材料。

图 4.经退火处理的PA46 与 PA66 和 POM 的DMA 曲线

经退火处理的PA46在高于 Tg的温度时，模量增加高达50%。拉伸强度也同样增加(图5，在2%张力时的应力)。

图 5. 120 °C 时，未经退火处理和退火处理PA66 和PA46 (Stanyl) 材料在2% 张力时的应力。

另外， PA46在退火处理后，在140℃时呈现出更好的抗疲劳性(图6)。

图6.玻纤和碳纤维加强型PA46(TW200XX)材料在210°C下经过16 小时退火处理后，对其在140°C时抗疲劳性的影响。(图中：上方：STANYL 在8Hz/140℃时的疲劳情况(在210℃下经过20 小时退火处理，下方：疲劳周期)

初步研究表明，退火也可以改善PA46的磨损和摩擦性能(W&F)。根据扭矩减震器应用的ASTM D-3702标准，对经聚四氟乙烯改良的PA46材料，研究了在未润滑时的应用情况。(表3)

表 3－由PA46材料制造的扭矩减震器的磨损和摩擦性能* 经聚四氟乙烯改良 (PTFE)# 与钢相互摩擦

注意，经退火处理后，磨损率降低了一半以上，而摩擦系数也有较大降低。结论在高温下对强度要求较高的应用中，PA46材料均有最好的表现。退火处理进一步降低了PA46的吸水量，增加材料强度，从而帮助设计者有更多选择来设计更小型、更易于加工的机械部件。广泛的研究得出的可靠结果详细说明了PA46退火处理参数及效果，为高标准应用下的部件设计制造提供支持。如有任何问题，请联系：DSM工程塑料公司亚太公司 Joydeep Sen Chaudhuri，Joydeep.SenChaudhuri@dsm.com。应用举例■ 起动电动机环形齿轮起动时机环齿轮需在较为苛刻的条件下工作，要求在130 ℃时能够承受50,000次起动，在30 ℃时通过停车试验并有效工作。在领先起动发动机制造商公司的所有测试中，只有DSM的PA46能够通过全部测试。■ 开窗马达和齿轮组设计人员用用小型、转速较快的马达代替大型、转速较低的马达。当较高的RPM产生的摩擦热量高于其260℃熔点时，PA66未能通过实验。而未加强型PA46在经退火处理后(熔点295℃)解决了这一问题，在高于260℃时仍保持了较好的强度。新设计降低了成本，并且节省了约20%的空间。■ 电动动力转向齿轮电动汽车动力转向系统，在采用PA46齿轮后，目前已经代替了液压系统，这样防止了来自转向轴和车轮的噪音传入汽车内部。标准非常严格——齿轮任何一个齿的损坏都可能导致导向系统失灵。在整个使用寿命期间，齿轮必须在120～130 ℃下工作(4,000小时)。采用了未增强型PA46材料。原载《DESIGN NEWS China》(end)

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