前沿拓展：超脂塑和水动力哪个好
齿轮以传递运动和动力为主要功能，在机械装备中具有举足轻重的作用。与金属齿轮相比，塑料齿轮具有质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好、耐腐蚀等诸多优点，而且具有易成型、制造成本低、设计灵活等特点。
塑料齿轮的主要作用是传递运动和动力。在不同的工况环境下，需要对制作塑料齿轮的材料进行综合考虑，比如齿轮使用性能、工艺性能和经济性等。塑料齿轮的成型材料可以分为通用塑料、工程塑料和特种工程塑料及以其为基体的纤维增强塑料复合材料等。随着新材的不断涌现，塑料齿轮相比于金属齿轮的优势更为，还可以往齿轮中加入不同填料改变纯塑料齿轮的属性，提高齿轮的使用性能和寿命。
1 通用塑料齿轮
用于齿轮的普通通用塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，如Fig.1所示。
图1 各种塑料齿轮
它们产量大，价格低，用途广泛，但是同时也有很多的缺点，比如表面硬度低，容易被划伤；在环境应力的作用下发生开裂，导致失；在齿轮啮合的过程中，由于热膨胀系数大，会产生大量的热，更容易发生蠕变，发生变形。因此，通用塑料齿轮不适合于承载能力高的场合，但适合制造用于玩具和医疗器件的齿轮。
通用塑料齿轮在强度、散热和承载方面表现较差，导致齿轮制造成型加工一般不使用单纯的通用塑料，而是需要共混物进行注塑成型。普通塑料与其他原料结合，可提高塑料齿轮的综合性能。通用塑料制成的齿轮容易发生失，因此，生产齿轮一般使用工程塑料或者性能更高的塑料。
2 工程塑料齿轮
工程聚合物是一种特殊的、高性能的合成塑料，具有优良的综合性能，刚性大，蠕变小，机械强度高，耐热性好，电绝缘性好，可在环境苛刻的场合下长期使用。设计得当可以被塑造成机械功能强的半精密部件或结构部件，并为替代金属齿轮实现“以塑代钢”提供可能。
工程塑料又可以细分分为通用工程塑料和特种工程塑料2类，其中可以成型齿轮的工程塑料有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)和热塑性弹性体、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚酯(PBT)、聚醚醚酮(PEEK)和液晶聚合物(LCP)等。
2.1 PA齿轮：
聚酰胺(PA)材料具有热塑性材料的硬度，有良好的抗冲击性能和冲击韧性。某些情况下比金属性能更好，已经广泛应用于齿轮、凸轮和轴承的制作。但是它的热变形温度相对较低；制品在放置后有较大的吸水性，产生的残余应力会造成制品表面缺陷，改变表面的厚度，使屈服强度增大，造成韧性降低；使用过程中也会产生蠕变性。因此，为提升PA的性能，可进行共混改性生成不同性能的共聚PA。
PA齿轮在结晶度方面，属于半结晶材料，可实现从固体到熔体的急剧转变。PA在注塑成型时会受到结晶度的影响，Russell和Beaumont通过对注塑成型PA66齿轮的研究发现，注塑过程中模具温度对制品的结晶度影响较大，球结晶在结晶过程中会有大小的变化，甚至终导致制品的缺陷。
PA齿轮在啮合磨损过程中存在热应力的问题，决定齿轮寿命的关键因素在于齿轮齿侧的热聚集，需要对齿轮的热应力进行预测，并将聚集的热消散出去，从而降低齿轮的啮合温度。
从齿轮的磨损行为出发，明确热应力产生的区域，首先需要观察的是PA齿轮失形式，PA齿轮在高负载(10N·m以上)的条件下的磨损行为主要分为3个阶段：初始磨合阶段、线性磨损阶段和后断裂阶段。初始磨损阶段历程较短，但是磨损量高；线性磨损阶段的磨损率较低；后断裂阶段的齿面磨损率会迅速增加。
不同驱动材料的齿轮与PA齿轮啮合时，会对PA齿轮齿面产生不同形式磨损，当乙醛材料作为驱动轮时，PA齿轮齿面会有高热磨损，导致齿轮压力角增大，磨损加重，因此驱动齿轮材料在磨损失中有关键的作用。
2.2 POM齿轮：
随着塑料齿轮的应用越来越多，应用要求已经从齿轮精度转向承载性能。聚甲醛(POM)材料良好的力学性能，可以集精度和承载为一身应用到齿轮的注塑成型。作为高结晶的线型聚合物，它是耐热塑胶的典范。通过注塑成型，POM材料可以制成坚硬致密的抗疲劳、抗磨损齿轮，具有冲击性好，摩擦系数小，自润滑性能好的优势，因此，POM是聚合物齿轮的工程材料。其缺点是成型制品时有收缩的趋势，并且容易产生缺陷。
在POM齿轮的成型工艺条件方面，注塑过程中的注射速度、模具温度、锁模压力和冷却时间对POM齿轮的注塑成型有着重要的影响。
在POM齿轮的磨损失方面，齿轮磨损会影响到齿轮的寿命，磨损与齿轮间的磨损系数有着紧密的联系，但磨损系数的评估的影响因素有很多需综合考虑。
2.3 PC齿轮：
聚碳酸酯(PC)材料属于无色的玻璃态无定型聚合物，具有高冲击强度、尺寸稳定性好、蠕变小和良好的加工成型性能等优点。但是在较高温度的影响下PC易发生老化，因此在较高温度下使用此种材料需要对制品表面进行保护，进而延长PC的使用寿命。
PC制成的齿轮，由于材料无色透明，齿轮外观会十分精美，并且可安装在精密仪器仪表中，进行齿轮传动或者作为工艺装饰品，但其制成的齿轮会存在径向的齿形变，对于此种缺陷，需要进行地齿轮模拟仿真才可获得。
2.4 PEEK齿轮：
由于聚合物齿轮的要求越来越高，就需要使用工程塑料达到齿轮工况要求，聚醚醚酮(PEEK)具有优异的机械、化学和热性能，它比其他特种工程塑料更有优势。高温下的PEEK材料拉伸强度和弯曲模量依旧很高，并表现出可靠的耐蠕变和抗疲劳的性能，可以长期在200℃的高温下使用。PEEK齿轮也可在较大负载条件下实现动力传输，是当今模塑齿轮中的工程材料。
PEEK齿轮 图源：君华特塑
PEEK齿轮在性能方面表现优良，在牙科中也有许多潜在的用途，PEEK具有较低的杨氏(弹性)模量和优良拉伸性能都接近人体骨骼，适合作为牙齿的替代物。但仍需对磨损失进行探究分析，需要考虑载荷大小、环境条件以及滑移率等条件，并针对性地开展实验分析，如Fig.2所示。
图2 磨损试验和故障检测
Hoskins等在使用双盘模拟PEEK齿轮的滚动滑动接触研究中，获得一种齿轮的动态响应方法。将2个PEEK圆盘相互接触碰撞，随着载荷和滑移率的增加，PEEK圆盘的磨损、摩擦和温度也会增加(其磨损率低于其他聚合物的磨损)，发现在高滑移率和高负载条件下的失主要是表面熔化和接触疲劳失，因此，为设计出高性能的齿轮接触条件，需要将获得的结果与实际齿轮啮合过程联系起来。
2.5 PPS齿轮：
聚苯硫醚(PPS)具有硬度高，尺寸稳定性好，耐疲劳和耐化学性能的优点，是高温、腐蚀性环境中齿轮的材料，现在PPS齿轮已应用到汽车、特殊流体泵等苛刻的工作条件下。PPS可以与其他聚合物相互结合，从而达到良好的机械和摩擦性能，齿轮的磨损和传动性能也可得到提升。
Chen等使用注塑机将PA66与PPS共混物注塑成型圆柱形摩擦副，进行磨损实验。获得了优力学性能的共混物比例是PA66/PPS(70/30)，小磨损的共混物比例是PA66/PPS(80/20)，并且磨损量会随着混合物中PPS含量的增多而增加。进一步开展了碳纤维(CF)增强PA66/PPS共混物的磨损性能实验，研究发现，当CF含量低于30%时，CF会导致摩擦副的耐磨性变差，而当CF含量高于30%时，会显着改良了摩擦副的磨损性能。另外，将聚四氟乙烯(PTFE)加入到PA66/PPS共混物中，发现共混物的力学性能下降，耐磨性却有很大的提高。
3 纤维增强塑料齿轮
塑料齿轮具有质量轻、易成型、噪音小的优点，但它同时也有强度低、耐磨性差等缺点，因此制造塑料齿轮需要更高性能的材料，可以通过向材料中加入不同的添加物的方式来提高其强度。塑料齿轮的添加物一般分为2类，一类是减少摩擦，另一类是提高耐热性和力学性能。
使用聚四氟乙烯、石墨烯和硅氧烷等可以减少齿轮啮合时的摩擦；添加碳纤维和玻璃纤维可以提升齿轮的强度和热性能；提升耐磨性、降低齿轮的摩擦系数，可以使用芳族聚酰胺纤维。纤维具有拉伸强度高和吸收冲击能量好的优点，是一种简单有提高齿轮强度的方法，为聚合物齿轮代替金属齿轮提供坚实的基础。
3.1碳纤维增强塑料齿轮：
碳纤维(CF)的拉伸强度和模量高，具备优异的拉伸性能、低密度、高热稳定性以及良好的导热和导电性，设计自由度高，可根据要求进行设计。碳纤维广泛应用于各个领域，将碳纤维的加入塑料齿轮中，由于碳纤维自身的刚性，可以改良齿轮的摩擦性能，在实现齿轮轻量化的基础上，提高齿轮的齿轮稳定性和耐磨性。
根据碳纤维含量和种类的不同，对齿轮的增强果和磨损失表现不同。Kurokawa等对不同CF增强的PEEK齿轮进行研究和评价，CF增强齿轮会因配对齿轮的种类、有无润滑剂等因素导致齿面产生不同磨损。干燥的稳定状态下，齿轮的磨损率很小；涂抹润滑剂后，也会因为啮合齿轮的不同而产生不同的磨损，研究人员推测是PEEK与CF的亲和性、CF磨屑在啮合区介入的差异以及CF的特性对齿轮影响，但仍需进一步验证分析。
在齿轮中填充材料方面，不同纤维和物质加入聚合物齿轮中会有不同的果。chroeder等在对PEEK、CF增强PEEK和填充石墨、PTFE和CF增强PEEK进行摩擦学测试，发现未填充PEEK在实验中表现出较大的磨损；CF增强PEEK也表现出很低的耐磨性，具有更高的滑动和微磨料耐磨性；往CF增强的PEEK齿轮中再添加PTFE和石墨后，齿轮的摩擦系数急剧下降，表现出高擦伤性和几乎没有磨损的耐磨性，主要是因为填充有石墨和PTFE的碳纤维PEEK齿轮的保护性摩擦层，从复合材料转移到另一个齿轮上导致的。
3.2 玻璃纤维增强塑料齿轮：
由于玻璃纤维(GF)的直径小，在与基体材料结合后，表现出强度高、性能优良和产品设计自由度大的特点。在特定的应力水平和转速条件下，GF填充增强齿轮与未填充增强齿轮相比，GF填充齿轮强度、模量和导热性均表现优良，疲劳寿命延长。注塑制品内部纤维分布均匀，拉伸性能和抗弯强度均有较大提高，在汽车，航空航天和采矿等领域，被广泛应用在各种机械部件中。
GF的填充含量对齿轮性能提升有不同果。Mao等发现28%的GF增强POM齿轮与未填充GF的POM齿轮相比性能显著增强，在负载能力方面，齿轮的承载提高50%；在表面结晶度方面，POM齿轮的结晶度会下降20%，并从SEM图像中获得GF增强POM齿轮的结晶度没有变化。实验测试后，POM齿轮内部纤维长度会减小，这是高负载情况下纤维断裂所致，导致局部弯曲阻力显着下降和齿轮齿面快速热失。
不同GF取向会影响到齿轮的啮合磨损。为获得佳性能的纤维填充齿轮，Kunishima等对GF增强PA66进行摩擦学研究，在高接触压力下、滑动和润滑条件下，GF沿垂直取向时，在对应钢啮合的材料上，观察到较大的侵蚀，造成纤维剥落和齿面划伤，这主要是摩擦和蠕变增加的原因；当纤维平行于滑动方向排列时磨损增加；在润滑油存在的情况下，磨损产生的碎屑导致的磨损会少于接触温度升高而产生的磨损。
3.3 芳纶纤维增强塑料齿轮：
芳纶纤维是一种合成纤维，具有超高的强度、高模量、质量轻等优点，可在高温下不分解，不融化，是很好的绝缘和抗老化材料。芳纶纤维填充齿轮可以减少齿轮的质量，使得齿轮朝小型化和高性能方向发展。
在芳纶纤维的果方面，可以在与GF和CF的比较中得到，在Kukureka等对芳纶纤维、GF和CF增强PA66的双盘机试验中，GF和CF增强的材料可以使摩擦系数显著下降，而芳纶纤维不会改变PA66材料的摩擦性。芳纶纤维的磨损与时间呈线性关系，这导致增强PA材料制得制品的磨损率会随时间的变化而不断提高。
在两圆盘接触表面上，芳纶纤维会迅速地从接触表面移除，只留下基体材料，这种果与提高材料的摩擦系数相似，造成磨损率显著高于未填充增强的材料，可能芳纶纤维只是抑制某些部位的裂纹扩展，导致磨损的碎片是大而薄的薄片。
齿轮的磨损特性决定着齿轮的应用工况。Gordon等对PA46和PA46/芳纶纤维复合材料进行滑动滚动接触试验，在2%滑移率的条件下，PA46+15%芳纶纤维的摩擦系数低，但在较高的负载和速度下却有着稳定的磨损率。实验发现，在任何载荷和速率条件下，PA46+芳纶纤维复合材料都会出现点蚀和大裂缝，终断裂而失。因此，PA46+芳纶纤维齿轮适合在低载荷和低速的工况下使用。
随着通用塑料到工程塑料的发展，塑料齿轮在质量轻、运行噪音小、耐磨性好、自润滑性能好、耐腐蚀等多方面的优势得到体现。纤维增强塑料齿轮在轻量化的同时，强度和耐磨性得到进一步提升，塑料齿轮的应用场所和使用工况得到进一步拓展。
文章来源：塑料齿轮及其成型制造技术进展，互联网资料等。
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