塑料齒輪的蠕變設計

塑料齒輪的蠕變設計是一個非常困難的工作，它涉及到材料學中材料的蠕變性能（難測定）和塑料齒輪的應力值計算（沒有準確的模型進行計算），因此，往往在設計的過程中非常被動，常常要等樣品試驗以后才能估計蠕變性能的好壞。本日志試圖綜合各個方面的信息，對齒輪蠕變進行分析。我預計可以在十到十五個日志內(nèi)可以把內(nèi)容闡述清楚。下面準備的幾個主題是：1)蠕變的定義及其相關2)塑料蠕變的相關公式3)典型材料的蠕變曲線4)典型應用的蠕變計算方法5)哪些塑料齒輪需要進行蠕變設計6)塑料齒輪蠕變設計的要點7)蠕變的測試方法8)蠕變的快速測試及其測試理論9)其它。。。。。。（一）蠕變的定義：蠕變指的是固體材料在保持應力不變的情況下，應變隨時間緩慢增長的現(xiàn)象。金屬、高分子材料和巖石等在一定條件下都具有蠕變性質(zhì)。蠕變材料的瞬時應力狀態(tài)不僅與瞬時變形有關，而且與該瞬時以前的變形過程有關。瞬時響應后隨時間發(fā)展的蠕變一般可分成3個階段：l第一階段是衰減蠕變，應變率（應變的時間變化率）隨時間增加而逐漸減??；l第二階段是定常蠕變，應變率近似為常值；l第三階段是加速蠕變，應變率隨時間逐漸增加，最后導致蠕變斷裂。同一材料在不同的應力水平或不同溫度下，可處在不同的蠕變階段。通常溫度升高或應力增大會使蠕變加快。不同材料的蠕變微觀機制不同。蠕變機制有擴散和滑移兩種。在外力作用下，質(zhì)點穿過晶體內(nèi)部空穴擴散而產(chǎn)生的蠕變稱為納巴羅－赫林蠕變；質(zhì)點沿晶體邊界擴散而產(chǎn)生的蠕變稱為柯勃爾蠕變。由晶內(nèi)滑移或者由位錯促進滑移引起的蠕變稱為滑移蠕變，也稱魏特曼蠕變。引起多晶體材料蠕變的原因是原子晶間位錯引起的點陣滑移以及晶界擴散等；而聚合物的蠕變機理則是高聚物分子在外力長時間作用下發(fā)生的構形和位移變化。研究材料的蠕變性質(zhì)對安全而經(jīng)濟地設計結構和機械零件具有重要意義。（二）松弛松弛與蠕變的區(qū)別在于：在蠕變中，應力是常數(shù)，應變是隨時間變化的可變量；而在松弛中，應變是常數(shù)，應力是隨時間變化的可變量。塑料之所以產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象，是由于它是既具有彈性又具有塑性的黏彈性材料。（三）蠕變激活能對鉻鉬和鉻鉬釩低合金鋼主蒸汽管運行中蠕變激活能和相應的持久強度的變化動態(tài)進行研究.結果表明,主蒸汽管金屬的蠕變激活能和持久強度都隨運行時間增加呈下降趨勢,兩者在變化程度上存在較明顯的對應關系.蠕變激活能的數(shù)值大小可反映出主蒸汽管在使用壽命過程中所處的階段,對部分主蒸汽管應用蠕變激活能等蠕變參量得出的蠕變速率推算的剩余使用壽命期限與其它傳統(tǒng)方法得出的壽命分析結果一致.（四）蠕變疲勞有何特征？蠕變斷裂斷口的宏觀特征：1、斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；2、又于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。（五）蠕變測試的相關標準（1)GB11546-89;塑料拉伸蠕變測定方法。（2)ISO899-1-2003塑料.蠕變性能的測定.第1部分:拉伸蠕變。（3)ISO899-2-2003塑料.蠕變性能的測定.第2部分:用三點負載測定撓曲蠕變1.基于蠕變考慮的變形量計算在工程設計和計算中，有時需要求出在某個部分施加一定負荷時所產(chǎn)生的變形量，有時則需要求出為產(chǎn)生一定的變形量而需要的負荷。在這種情況下，雖說基本的物性都是彈性模量，但由于塑料與金屬不同，因此在用塑料的彈性模量進行計算時需要注意下列幾點：1）溫度依存性即使在實用溫度范圍內(nèi)，彈性模量也會隨溫度變化。2）時間依存性負荷時間持續(xù)很長時會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，因此應使用蠕變彈性模量。3）應力依存性嚴格而言，塑料的應力－應變關系中通常幾乎沒有虎克定律成立的部分（即正比例的區(qū)域）。因此，各應力水平上的彈性模量便是正割彈性模量（Es），該值甚至小于初始彈性模量（Eo）。雖然這里的目的是為了結合這些條件來推算出DURACON部件的變形量，但基本思路則是在一定的低應力水平下首先求出基于溫度及時間依存性考慮的表觀彈性模量，進而根據(jù)應力水平來不斷修正該表觀彈性模量。一般來講，塑料的低溫抗蠕變能力比高溫時塑料的抗蠕變能力要強，而且，蠕變所需的時間比較長，一般的設計都是以十年為限，如果按照正常的測試，一次至少需要十年，那么產(chǎn)品的開發(fā)周期就被被嚴重的耽擱。因此，在一般的測試中，都是以材料的高溫情況下的抗蠕變能力來預測正常使用時的產(chǎn)品抗蠕變能力。下面給出最常用的POM－delrin100的材料在一定溫度下的蠕變曲線：（1)材料在23°C下的蠕變曲線如右圖所示：從右圖中可以看出，材料在變形較小的情況下，具有很高的抗蠕變強度。也就是說，在常溫下，delrin100具有優(yōu)異的抗蠕變的能力，這對于結構件的設計非常重要，因此，delrin100是齒輪設計中性能非常優(yōu)異的材料。（2)delrin100在80°C的蠕變曲線如下圖所示：從左圖可以看出，在80°C下，15Mpa以下，材料的蠕變是比較穩(wěn)定的，當超過15Mpa時，材料的蠕變強度隨變形的增加的趨勢減緩。因此，杜邦的材料工程師給我們的建議（POM的使用溫度是零下四十攝氏度到八十攝氏度之間）是有很高的可信度的。（3)delrin100在90°C的蠕變曲線如下圖所示：從右圖中可以看出，材料在90攝氏度的時候，材料的曲線發(fā)生了很大的變化，當材料的應力超過大約18Mpa的時候，材料在1000個小時的時候會發(fā)生斷裂。在20Mpa的時候，100個小時左右就會發(fā)生斷裂。不幸的是，我們的很多測試，都是要求材料在90°時候的性能數(shù)據(jù)，因此，蠕變設計變得非常的敏感，任何的小的疏忽，都會導致蠕變設計的失效。尼龍PA46的蠕變曲線：（1)PA46在常溫下的蠕變曲線尼龍在常溫下的耐蠕變性能要低于POM。（1)PA46在100°C下的蠕變曲線尼龍46在100攝氏度下，材料的抗蠕變的能力要比delrin100強60%以上。（3)PA46在140°C和160°C下的蠕變曲線：很少要用到，所以不做詳細研究。塑料齒輪的蠕變設計（四）－－－－典型的蠕變計算實例標簽：塑料齒輪蠕變分類：塑料齒輪設計2008-03-3012:48用金屬彈簧以196.1N的力持續(xù)拉伸直徑3.4mm的DURACON棒。請就棒的斷裂時間對DURACON的不同等級進行比較。假定空氣中的氣氛溫度為恒定的60℃。解答棒中產(chǎn)生的拉伸應力s=4*p/(PI*d^2)其中S＝拉伸應力MPaP＝負荷Nd＝棒的直徑mms=4*196.1/(3.14*3.4*3.4)在圖2-6中，S＝21.6MPa所對應的M270的K為K＝7890根據(jù)(18)式，7890＝（273＋60）（21＋logt）∴l(xiāng)ogt＝2.6937∴t＝494ｈ類似地，對于其他等級，計算并整理后得出下表：等級Kt（ｈ）494M2707890M90M25GC-25822595251480040142782650084由此可見，不同等級的蠕變斷裂時間存在很大差別，因此在等級測量時應充分考慮這一點。此外還應注意，如果在圖2-6中沒有盡可能準確地讀取K，則斷裂時間也會出現(xiàn)相當大的差異。例題2如果用DURACONM90來制作常用水壓0.39MPa、最大外徑30mm、耐用年數(shù)5年的壓力容器，請問壁厚多少為好？解答根據(jù)圖2-5，假定與常溫（27℃）、5年（約44,000小時）相對應的斷裂圓周應力約為15.7MPa，且安全系數(shù)為2，則設計應力S為……S＝15.7/2＝7.85MPa作為薄壁圓筒，此時可按下式來計算：t=p*D/(2*S)其中t＝壁厚mmD＝外徑mmS＝圓周應力MPap＝內(nèi)壓MPa于是t=0.39*30/(2*7.85)也就是說，將最小壁厚設為0.75mm為宜。例題3請推算DURACONM90管子在常用氣壓0.98MPa、內(nèi)徑35mm、壁厚2.5mm、環(huán)境溫度90℃條件下的平均壽命。解答由于超出了實測范圍，因此采用(18)式。首先由(19)式可知s=pD/(2*t)由圖2-6可知，與S＝7.84MPa相對應的K為K＝10526由(18)式可知10526＝（273＋90）（25＋logt）∴l(xiāng)ogt＝{10526－（363×25）}/363＝3.997∴t＝9,937ｈ?P1年2個月在圖2-2中，在80℃和100℃的線的中間引一條90℃的線，并求出該線與S＝7.8MPa的線的交叉點。此時可以發(fā)現(xiàn)壽命約為10,000小時，并且非常一致。換言之，即使在實測范圍以外也不必每次都塑料的蠕變失效是塑料失效的一個非常典型的失效形式，它比較難測試，難預測，而且在短期內(nèi)不能觀察到它的這種失效破壞所帶來的影響，因此很難會在設計過程中引起重視。哪些塑料齒輪需要進行特別的塑料設計呢？1)汽車類的，特別是受到長期載荷作用的，譬如電動車窗的齒輪。2)塑料齒輪中含有金屬嵌件的，塑料在長時間使用后，塑料會老化，變形，導致塑料與金屬嵌件的結合不再緊密，不能傳遞額定的扭矩，所以要進行蠕變的設計。塑料齒輪如果需要內(nèi)有金屬嵌件的，需要對該塑料齒輪與金屬嵌件部分進行蠕變的設計。一般來講，塑料的層的厚度要不超過3mm，在這個前提下，越厚，耐蠕變的能力越強。下面是一個Duracon的測試數(shù)據(jù)：國際標準：標準號：ASTMD6112-97中文標題：塑性塑料管材蠕變比率的實驗方法塑料板