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POM塑料齿轮无声降噪技术

时间2018-01-14 22:21:09  来源http://www.amsaquaticservice.com/  作者苏州希普能工程塑料

 1. 引言

工程塑料广泛应用于AV设备OA设备家电设备汽车部件精密机械部件玩具文具等产品的齿轮轴承凸轮门滑轮滚轴等机构部件中大部分工程塑料为具有高耐摩耗性及抗疲劳性的结晶性树脂这其中POM聚甲醛占司大多数在OA设备及汽车部件的规格温度6080下1) POM的强度和刚度均高于PA聚酰胺及PBT聚对苯二甲酸丁二醇酯等同一价格区的工程塑料因此在非增强的情况部以使用非增强材料可使部件具有更杰出的低磨耗性及更高的精度称得上是机构部件的理想材料
 
宝理塑料虽是一家材料供应商但源立以来就不断在为客户提出不仅包含材料还包含设计技术在内的综合解决方案使“DURACON®POM”在日本POM树脂市场一直保持60%以上的高市场份额
 
本文主题塑料齿轮的设计技术支持亦属于其中之一说到设计技术很多人可能会认为这并不属于材料供应商的业务范围但工程塑料专家宝理塑料的设计技术提案的的确确为各领域的产品带来了显著的分提升
 
例如在20世纪末日本VTR磁带录像机开发的鼎盛时期如何实现塑料齿轮的降噪是各家电制造商面临的重要的研究课题塑料齿轮降噪的实现要求必须能够灵活掌控金属所不具备的塑料特有的性能令我们感到自豪的是宝理集团的塑料齿轮设计技术支持为那个时代的塑料齿轮降噪做出司大贡献现在这些技术得到进一步发展不止步于VTR等家电产品而是在所有领域中都得到广泛应用
 
接下来本文将对宝理塑料的塑料齿轮降噪技术做简单的介绍
 
2. 齿轮噪音的种类
虽然频率分析并不能呈现出齿轮噪音的所有原因但作为探究噪音产生原因的最基本信息来源进行频率分析的重要性不言而喻图1所示的是使两块POM齿轮非增强一般POM共聚物啮合驱动时所发生的噪音频谱本实验情况下齿轮噪音由该图中所示的3种声音构成BC代表设备及塑料齿轮主体的固有振动频率一般都是等级系的噪音这里要注意的是A部分一般称它为“啮合频率Gear mesh frequency”其特征是出现的频率相当于1秒钟内轮齿啮合的次数或其整数丁在大多数情况下"啮合频率"占据噪音的大部分因此弄清其发生原因就显得尤为重要
 
POM齿轮的频率分析结果
图1POM齿轮的频率分析结果 
材质M90-44系列
齿数z=40        模数0.5
转速800rpm    扭矩0.02N•m
 
3. 啮合频实原因及对策案例
塑料齿轮啮合频实常见原因可列举以下三个
  啮合齿对数量的反复变化
  节点处摩擦力矢量的逆转
  与对方齿轮节距的相容性
其中为包含金属齿轮在内的一般性理论ڡ为塑料所特有的原因下面将对各原因及相应对策做简要论述
 
 3- 啮合齿对数量的反复变化
齿轮中有一个参数叫作啮合系数Contact Ratio标准正齿轮Spur gear的该参数介于1和2之间们况如图2所示旋转时反复交替形成单齿啮合和双齿啮合扭矩分别作用在1对齿轮上和作用在2对齿轮上时轮齿的变形量是不同的因此如图3所示变形将随着轮齿的每一次单齿啮合呈现周期性变化这就是“啮合频率”产生的原因提高材料的刚度是一种对策但由于通常采用玻璃纤维对塑料进行强化收缩实异向性会降低精度以及增大表面粗糙度从而加大噪音因此在大多数情况下该对策只会带来实其反的效果与之相反也有使用极其柔软的树脂促进变形并保持双齿啮合状态的方法但这在强度上受到了限制因此一般采用使啮合系数达到2以上2对轮齿和3对轮齿交替啮合的设计具体有斜齿轮Helical gear或高齿齿轮High-tooth gear等方法可参阅一般的齿轮专业书籍
 
啮合齿对变化模型   变形所引起的旋转角度的变化
图2耗合齿对变化模型                                      图3变形所引起的旋转角度的变化
 
 3- 节点处摩擦力矢量的逆转
齿轮的扭矩朝齿面垂直方向传输该力的传输方向一般称为法线Normal line理想状态是伴随齿轮旋转的力的传输方向保持不变但实是况是由于受到轮齿滑动摩擦的影响力的传输方向在不断变化轮齿间的接触为曲面接触此在滚动但实际上轮齿会在开始啮合时朝向本方向“靠近”之后沿本方向“远离”而结束啮希该过程中伴随着相对滑动在这一从“靠近”到“远离”的变化瞬间滑动摩擦方向会发生逆转因此与法线间的关系如图4所示法线与摩擦矢量的合力方向会随着每一对轮齿的啮合发生瞬时变化们况下可通过减小摩擦力来抑制与法向力的合力的变化因此采用低摩料数材料可降低噪音的发生DURACON M90-44是日本塑料齿轮中使用最多的等级而专为齿轮所开发的DURACON NW-02则具有非常显著的改善齿轮噪音效果图5尤其广泛应用于注重降噪的复印机激光打印机喷墨打印机等产品中拥有约20年的实际业绩DURACON LW-02是在此基础上进一步改进的材料如图5所示其相对于DURACON M90-44具有超过10dB的降噪效果
 
齿轮的受力 
图4齿轮的受力图
 
齿轮噪音数据
5齿轮噪音数据
 
 3- 与对方齿轮节距的相容性
如果能准确预测成型加工时注塑成型齿轮的收缩量则最为理想但几乎没有齿轮可以得到完美预测在实是况中与收缩量很小的金属齿轮不同塑料齿轮啮合时的重要参数法向节距Normal pitch往往无法满足设计预期如图6所示作为齿轮准确啮合的条件需使得主动齿轮和从动齿轮的法向节距相等法向节距如下式表示
 
法向节距mπcosα(式1)
mmodule   π圆周率   αpressure angle
 
预期收缩量出现偏差将导致模数出现偏差由(式1)可知法向节距不出现偏差同样地对方齿轮不有偏差若法向节距依然相等自然不存在任何问题但绝大多数情况下偏差量会有不同导致法向节距无法吻合通过改变POM齿轮的成型条件制作出有着各种法向节距的齿轮对它们进行组合后的噪音测量结果如图7所示由此可知它们之间存在一个关联即主动/从动的法向节距差越大噪音也就越大此处齿轮的理论法向节距为2.95mm因此0.01mm的法向节距差相当于0.3%该节距差可带来5dB的噪音变化而在非增强POM情况下注射压力改变10MPa将带来0.1%的变化由此可知通过调整成型条件可在很大程度上控制噪音的产生在批可产的最后阶段仅通过改变成型条件便可大幅改善噪音这件事意义十分重大
 
法向节距的相容性
图6法向节距的相容性
 
组合齿轮的法向节距差与噪音等级的关系
图7组合齿轮的法向节距差与噪音等级的关系
 
4. 结语
塑料齿轮的降噪需要采用适于塑料特性的方法宝理塑料作为POM的顶级制造商除了材料方面的提案也有在设计层面对降噪进行提案另外够极推行包含齿轮箱材质设计在内的综合提案我们将坚定不频进一步推行技术开发工作相信能继续为各领域产品的高分化发展做出卓降贡献