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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.dosmundosparalelos.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)占了绝大多数。在OA设备及汽车部件的规格温度60~80℃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也可以使用。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,但自创立以来,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品质提升。
 
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了巨大贡献。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。B、C代表设备及塑料齿轮主体的固有振动频率,一般都是等级较低的噪音。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倍。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1:POM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. 啮合频率的原因及对策案例
塑料齿轮啮合频率的常见原因可列举以下三个:
 ① 啮合齿对数量的反复变化
 ② 节点处摩擦力矢量的逆转
 ③ 与对方齿轮节距的相容性
其中,①为包含金属齿轮在内的一般性理论;②、③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。
 
 3-① 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。该情况如图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,收缩率的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,该对策只会带来适得其反的效果。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:啮合齿对变化模型                                      图3:变形所引起的旋转角度的变化
 
 3-② 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。但实际情况是,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,看似在滚动,但实际上轮齿会在开始啮合时朝向直径方向“靠近”,之后沿直径方向“远离”而结束啮合,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。该情况下,可通过减小摩擦力来抑制与法向力的合力的变化,因此采用低摩擦系数材料,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
 
 3-③ 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。在实际情况中,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)
m:module   π:圆周率   α:pressure angle
 
预期收缩量出现偏差将导致模数出现偏差,由(式1)可知,法向节距也会出现偏差;同样地,对方齿轮也会有偏差。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。在批量生产的最后阶段,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,另外还积极推行包含齿轮箱材质、设计在内的综合提案。我们将坚定不移地进一步推行技术开发工作,相信能继续为各领域产品的高品质化发展做出卓越的贡献!