Зубчатые передачи из полимерных материалов

Большинство инновационных механизмов изготавливаются из полимерных материалов, а не металлов или пластмасс.

При использовании шестеренчатых передач, особенно в механизмах открытого типа, постоянно возникают проблемы с производительностью возникающие снова и снова независимо от применяемых механизмов.

Наиболее неприятные из возникающих проблем:

  • чрезмерный шум,
  • вибрация,
  • нагрев,
  • коррозия,
  • вес механизма.

Из-за этого зубчатые передачи часто подвергаются избыточной смазке или интенсивному износу, что неизбежно приводит к загрязнению от смазки или металлических включений. В лучшем случае, ценой достижения приемлемых показателей производительности станет рост стоимости обслуживания зубчатых передач. В худшем — приведет к преждевременным поломкам, что еще дороже из-за ремонта.


Правило: выбирать материалы, соответствующие задаче.

Многих из этих проблем можно избежать при грамотном проектировании. К сожалению, даже опытные конструкторы иногда забывают о золотом правиле: выбирать материалы, соответствующие задаче.

Все высоконагруженые передачи однозначно получают шестерни из металла. В то время, как легконагруженные механизмы могут оснащаться как металлическими так и литыми пластиковыми зубчатыми колесами.

Есть и третий вариант которому механикам следует уделять больше внимания. Высокоточные шестерни могут изготавливаться из полимерных материалов с улучшенными свойствами. Не важно, используются ли они в составе комбинированных колес с металлическими или комбинированными втулками, полимерные материалы после высокоточной обработки позволяют получить продолжительное время эксплуатации без смазки в упаковочной, пищевой, медицинской и полупроводниковой промышленности.

Преимуществом шестерен из композитных полимеров перед металическими является не только пониженный уровень шума, но и большая эффективность (КПД) благодаря меньшим потерям на трение.

Использование полимерных зубчатых колес, прошедших механическую обработку на высокоточных станках позволяет повысить крутящий момент минимум на 3%.

С начала индустриального периода было разработано множество типов зубчатых передач: прямозубые, наклонные, винтовые, червячные. Несомненно, есть множество случаев классического применения, когда применение полимерных материалов неоправданно.
Но если на первое место выходят требования к шуму, вибрации, весу, нагреву, коррозионной стойкости и смазки — полимерные шестерни оказываются лучше.

Прочное зубчатое колесо

Зубчатое колесо ∅48 мм и полимерным венцом высотой 6 мм
Зубчатое колесо ∅48 мм и полимерным венцом высотой 6 мм

Для высокоскоростных конвейеров подачи бумаги, где отсутствие смазки является одним из главных условий, используются гибридные полимерные зубчатые шестерни способные противостоять шоковым ударам от моментального полного останова линии, движущейся со скоростью 180 м/мин.

На таких скоростях шестерни, имеющие высокую линейную скорость и большой крутящий момент, сильно нагреваются. Несмотря на большие силы и нагрев, зубчатые колеса выдерживают двухгодичный период эксплуатации.

Начальный диаметр, мм
Обороты, мин-1
Крутящий
момент, Н*м
Время
эксплуатации, час
48 125 340 30000

Данное техническое решение задействует как сам зуб так и втулку шестерни. Во-первых, необходимо увеличить ширину зуба. Это позволяет ему воспринимать большие нагрузки при мгновенной остановке. Во-вторых, целесообразно использовать втулку из алюминия.

Алюминий эффективно отводит тепло, образующееся в при работе. Дополнительные отверстия в корпусе втулки позволяют использовать дополнительно эффект воздушного охлаждения и рассеивают тепло эффективнее.

Сухие геликоидальные передачи для снижения шума и инерции

Геликоидальная передача с нормальным диаметром колес 68, 45 и 50 мм. Ширина зуба - 12.7 мм.
Геликоидальная передача с нормальным диаметром колес 68, 45 и 50 мм. Ширина зуба — 12.7 мм.

В хирургической операционной высокие шумы, биения недопустимы. Что поднимает планку для передач, использующихся в приводах хирургического оборудования. Для уменьшения шума в металлических передачах, инженеры используют высокоточные инструменты и винтовые шестерни.

Применяя полимерные материалы в качестве материала шестерни, можно получить дополнительно снижение шума на 6 дБ.

В хирургическом оборудовании широко применяют композиционные полимерно-алюминиевые шестерни получая снижение шума и высокую точность позиционирования.

Такие шестерни, разработанные по стандарту AGMA 11 (Американская ассоциация по механизмам) практически не имеют мертвого хода и проскальзывания на всех интервалах рабочих температур. Это недостижимо для традиционных пластиковых шестерен имеющих показатель проскальзывания в два раза больше, чем в аналогичных металлических шестернях. Причина — невозможность сохранить стабильность размеров при эксплуатации зубчатых колес из пластика.

Начальный диаметр, мм
Обороты, мин-1
Крутящий
момент, Н*м
Время
эксплуатации, час
68,6 1450 0,58 30000

Для компенсации увеличения размеров от абсорбции влаги или терморасширения, обычные пластиковые колеса дополнительно подрезают, уменьшая в размерах. Что, в свою очередь, приводит к появлению проскальзывания в зацеплении.

Червячные шестерни из полимерных материалов имеют другую форму. Благодаря свойствам материала не впитывать влагу и металлическому сердечнику колеса, появляется возможность избежать расширения детали при работе оборудования. Поэтому подрезка не требуется и в зацеплении отсутствует проскальзывание.

Коническая передача с начальным диаметром 122.8 мм и шириной зуба 15 мм
Коническая передача с начальным диаметром 122.8 мм и шириной зуба 15 мм

В таких передачах улучшается не только значение проскальзывания но и снижается инерционность системы. Низкая инерционность позволяет строить более отзывчивые системы с меньшим временем реакции на команды позиционирования, что особенно важно для хирургических инструментов и манипуляторов, управляемых дистанционно. По сравнению с металлическими шестернями показатель инерционности снижается на 7 позиций.

Основная проблема, которую необходимо преодолеть при использовании шестерен — терморасширение. На максимальной скорости 5,2 м/сек, шестерни производят большое количество тепловой энергии. Ухудшает положение и невозможность использования смазки для уменьшения трения, а средний срок службы должен быть не менее 5 лет. Выход — модификация формы зуба и подбор материалов.

Специализированная форма зуба влечет увеличение угла контакта в геликоидальной передаче. Скругляя боковые поверхности зуба для уменьшения проскальзывания в сопряженных зубьях, увеличенный угол контакта уменьшает трение и распространение тепла. В результате — передача не только более холодная но и на 20% долговечнее обычной.

Увеличение угла зацепления утолщает зуб в корне, увеличивая воспринимаемую им нагрузку до 18%.

Сухие шестерни для легконагруженных приводов

Начальный диаметр, мм
Обороты, мин-1
Крутящий
момент, Н*м
Время
эксплуатации, час
121,1 33,3 20 42500

Необходимость отказа от смазки и, одновременно, требование к минимизации веса механизма смещает приоритеты к использованию конических полимерных передач (например в роботизированном окрасочном оборудовании). Невозможность использования любой смазки в таком оборудовании обусловлено опасностью загрязнения окрашиваемых поверхностей. А использование передач в манипуляторах предполагает их небольшой вес.

Ответом на эти вызовы стал литой нейлон. Изделия из этого материала способны работать в вышеописанных условиях на протяжении пяти лет. С плотностью в 1.03 г/см.куб. он в семь раз легче металла.

Помимо выигрыша в весе литой нейлон — диэлектрик и стабилен при повышенных температурах и влажности. Эти свойства делают материал подходящим для использования внутри окрасочных камер.

Самосмазывающаяся червячная передача, устойчивая к химическому и тепловому воздействию.

Чувствительные к смазке механизмы используются, например, в конвейерных системах при производстве панелей солнечных батарей. Подобно полупроводникам, солнечные батареи чувствительны к загрязнениям смазочными материалами при производстве. Поэтому использование самосмазывающихся полимерных шестерен в мульти-роликовых конвейерных транспортерах кажется логичным.

Самосмазывающаяся червячная передача, устойчивая к химическому и тепловому воздействию.

Кроме этого, такие передачи подвергаются химическому воздействию и действию высокой температуры так как панели на ленте проходят через печь силиконовой футеровки с температурой 80 °С. Жара и пары силикона повреждают большинство материалов, но не нейлон, используемый в комбинации с металлической втулкой.

Нейлон, получаемый гравитационным литьем способен длительное время противостоять химическому воздействию, включая пары силикона. Втулка из нержавеющей, коррозионно-стойкой стали используется для более эффективного отвода и рассеивания тепла.

Начальный диаметр, мм
Обороты, мин-1
Крутящий
момент, Н*м
Время
эксплуатации, час
3,2 6 1,75 25000

Стальной сердечник уменьшает величину терморасширения полимерного наружного венца на 50%. Без него любое полимерное кольцо будет испытывать деформации и изменение размеров из-за повышенных температур. Металлическая втулка так же компенсирует различные коэффициенты температурного расширения материалов шестерни и вала. Любая цельнопластиковая шестерня слетела бы с вала при нагреве.
Червяк в этой системе изготавливается из 316 нержавеющей стали. Срок службы такой пары — до 10 лет.

Планетарная передача

Планетарная передача

Медцинские и стоматологические фотосистемы очень чувствительны к вибрации и шуму, который отрицательно влияет на качество снимков и комфорт пациентов. Для стоматологических рентген установок используются специальные планетарные передачи.

Привод состоит из полимерного кольца, смонтированного на рентген установке и шестерни, бегающей по его внутреннему диаметру. Подпружиненая шестерня бегает по внутренней поверхности по траектории головы пациента.

Первоначально установки изготавливались с применением традиционных передач, что вызывало вибрации при движении объектива внутри кольца. Эта вибрация отражается на конечном снимке в виде полос.

В современных планетарных передачах такого типа предусматривают систему контроля линейности перемещения шестерни, представляющую собой два вращающихся относительно друг друга кольца на каждом из элементов передачи.

Система контроля линейности перемещения шестерни
Система контроля линейности перемещения шестерни

Каждое из этих колец удерживает шестерню на своей траектории. Нейлон, получаемый гравитационным литьем, из которого изготовлено внешнее кольцо, уменьшает вибрацию и шум благодаря своим демпфирующим свойствам.