如何評估塑料齒輪的疲勞壽命和可靠性？
對工程技術人員面言，塑料齒輪使用壽命的評估與分級是一項非常艱難的任務。目前，尚無針對齒輪強度分析的國際標準可用，被業界普遍公認的方法是德國VDI 2545標準所提出的準則，除此之外，還缺少測量材料特性所需要的計算方法.
今天想和大家一起討論下關于塑料齒輪使用壽命的估算問題，包括如何對塑料齒輪使用壽命進行評級，如何處理缺乏可用材料數據的問題，使其適合于有效的計算方法，塑料齒輪的數量正在急劇增多，主要原因是齒輪傳動的很多新的應用被開發出來，同時適合于做齒輪的新的材料的不斷涌現，比如蘇州維本工程塑料Wintone Z33耐磨靜音齒輪專用工程塑料，解決了近二十年來傳統的POM和尼龍齒輪材料降噪、良好的傳動扭力和可靠的耐磨耐疲勞壽命這三方面難以兼顧的問題，大大拓寬了各類減速齒輪箱在靜音要求比較高、同時又要耐疲勞優異的應用場景。與鋼等金屬相比，塑料的屬性發生變化的范圍更大，完全可以基于包括強度、耐磨性、剛度、阻尼和噪聲大小等材料屬性，來選擇其中一種來滿足某一特定要求的高性能工程塑料。
盡管塑料齒輪的應用越來越多，但與用于金屬齒輪的研究資源相比，塑料齒輪的科學研究水平和資源相對比較欠缺，可用標準之少便是反映該狀況的一個典型例子，相比分別用于金屬齒輪的AGMA 2001和ISO 6336標準， 用于圓柱塑料齒輪強度分析的標準就只有德國的VDI 2545.AGMA 909-A 06、ANSI/AGMA 1006-A 97和ANSI/AGMA 1106-A 97，雖然是用于塑料齒輪，但僅僅是在德國使用。
ANSI/AGMA 920-A 01只提供了大量關于塑料材料齒輪應用的說明， 并闡述了典型的檢測程序， 但并沒有被真正推廣使用。而VDI 2545已被廢除，并且在整體上缺乏對塑料齒輪的研究。因此，在沒有可用標準和科學的材料研究數據情況下，設計人員要掌握如何成功的設計新的塑料齒輪，還必須依靠實踐經驗和知識。
通常金屬齒輪是通過按范成原理加工生產的，塑料齒輪大多數是注塑成型的，如果模具齒輪型腔是采用電火花慢走絲線切割工藝制造，那么無需額外的成本就能進行齒形優化設計；但對于范成方法加工齒輪來說，則需要專用切齒刀具和增加試驗成本才能實現。另一方面， 模塑齒輪的精度通常相對會低一些（ISO 9-10級) ， 這個問題需要在今后采用新的材料和特殊的工藝方法來解決。塑料齒輪輪齒兩側還可能優化設計為非對稱齒廓，被有些文獻稱之為雙壓力角齒形。
在高負載和大幅溫升同時發生、并且長時間持續發生的齒輪傳動應用場景中，蘇州維本工程塑料Wintone T31耐熱蠕變、高扭力耐磨齒輪專用料，讓您的塑膠齒輪從低溫零下40攝氏度到高溫125攝氏度，并且在長期持續的高負載情況下，Wintone T31塑膠齒輪的傳動扭力和變形量,可以保持幾乎不變。
在高耐磨行星減速齒輪箱塑膠行星齒輪和內齒圈、蝸輪蝸桿減速齒輪箱塑膠蝸輪和塑膠斜齒輪、電動推桿塑膠斜齒輪等各類減速齒輪箱塑膠齒輪的應用上，蘇州維本工程塑料Wintone T31高耐磨、超高扭力、高度耐熱蠕變性齒輪專用料，可以幫您解決傳統的齒輪材料可能遇到的一些問題：
1.玻纖增強PA66工程塑料，在溫度50攝氏度到150攝氏度的溫度區間內，力學性能下降比較快，在齒輪傳動升溫受力時易塑性變形而失效的問題，玻纖增強尼龍66齒輪扭力不夠和耐磨耐疲勞壽命不夠的問題；
2.傳統的POM齒輪和玻纖增強POM齒輪，耐熱蠕變性較差的問題；
3.PPS高溫塑料比較脆，易斷齒，齒輪傳動噪音比較大的問題。
4.PA46高溫塑料的吸水率比較大，PA46齒輪的扭力和尺寸受水份影響比較大，玻纖增強PA46齒輪扭力不夠的問題。
5.PEEK高溫塑料對一些齒輪應用的成本壓力比較高的問題。
T31高耐磨、超高扭力、高度耐熱蠕變性齒輪專用料，在齒輪應用上的特點是：優異的耐磨和耐疲勞壽命、可承受超大扭力、從室溫到高溫150攝氏度的范圍內齒輪扭力變化很小、優異的尺寸穩定性、低吸濕。
塑料齒輪的強度分析
1、塑料齒輪的材料數據(沃勒曲線或SN曲線)
要對齒輪使用壽命進行分級和優化，在規定壽命期限內的齒根、齒廓接觸和耐磨強度的計算是非常重要的。
與鋼質齒輪一樣，塑料齒輪的特定參數(齒根和齒席接觸強度)是根據負載循環次數而確定的，塑料齒輪的這些參數主要受溫度、齒輪材料本身的特性和潤滑方式(油、油脂或干摩擦)的影響。對鋼質齒輪來說，有齒輪強度計算值就足夠了，而塑料齒輪則必須有幾條S-N曲線。
根據VDI 2545標準中的塑料圓柱齒輪的強度分析方法， 是唯一被業界所了解的解決計算問題的方法，盡管該標準已在數年前被廢除，但因缺乏相應的替代標準，所以仍然在繼續使用、目前， 德國Werner Krause教授和Jurgen Wassermann博士及其團隊正在計劃研究該標準的替代者，但仍處于研究的初期階段。
通常，材料生產商會提供抗張強度值，前面提到的用于齒輪計算的數據是未知的，并且不能從抗張強度中推導出來，一種塑料的改性可能導致更高的極限強度，這樣將增加齒根強度，然而齒廓接觸和耐磨強度會因摩擦效應而有所變化。
這個問題沒有簡單有效的解決方法，材料屬性只能采用樣機檢驗或在長期的檢測試驗中得到數據和經驗，大多數情況下，為獲得如圖附3-1所示圖表中充足的數據點，沒有必要進行上百次測量，而是通過選擇一些數據點并進行精確插補，就可以繪制出精度很好的圖表。這些數據點可以從已有的試驗檢測或在檢查設備上通過樣機實驗中得到，而且該項工作具有重要意義。
2.塑料齒輪強度計算的總體過程
塑料齒輪的力學性能會受到溫度影響，所以要對塑料齒輪進行評級，首先必須確定所對應的溫度，這意味著基于環境溫度下，必須查明齒輪嚙合過程中因摩擦和黏彈性體滯后造成的功率損耗而導致局部發熱和散熱，以及最終的平衡狀態，齒輪強度計算過程。
3.溫度的估算
計算表面溫度和主體溫度有一些可用模型， 對于鋼質齒輪， Blok的瞬時溫度觀點被用于分級安全系數的計算。對于塑料齒輪，Siedke采用了該模型。然而試驗結果表明，該模型并不適用于塑料齒輪。Taka nashi(日本名字高梨)用一種包含摩擦和變形部分的方法研究出了方程式，源于變形部分熱量的產生是基于沃伊特模型(彈簧-阻尼模型)。要平衡產生的熱，則散熱量就必須計算，那么通過生成熱量與散發熱量的差值就可以導出表面溫度和主體溫度。
Taka nashi模型被證實在實際應用中是足夠精確的。盡管如此，難以確定所需的幾個參數，所以基于Hachman n和S trickle著作的另一種模型被普遍使用，該計算方法也是基于熱平衡原理。假設，由齒輪嚙合造成的功率損失所產生的熱量Q1與釋放到齒輪箱體內部空間的熱量Q2相等，同時和由齒輪箱體釋放到周圍環境中的熱量Q3相等。這種方法推導出一個公式，該公式已在VDI2545標準中使用。
根據Hachmann和Swrickle理論計算的溫度結果，與試驗中測得的溫度相比，齒根部分的計算溫度偏低，齒廓表面的計算溫度很高，計算溫度經常會超過材料的熔點，但是實驗表明齒出現任何化的跡象， Erhard和Weiss出了一種修正的溫度計算方法，已把使用時間考慮進去， 根據測量結果， 把75min的連續使用時間定義為永久性運轉， 對于少于該使用時間的情況，引人fED系數來減小計算溫度。因為該工作是在VD I2545標準公布之后進行的， 所以這個修正系數沒有包含在VDI 2545標準的溫度計算方程中。
溫度計算不僅是VDI 2545的關健點之一， 也是塑料齒輪常規計算的關鍵點，由于上述問題，推薦采用一個固定溫度，對低速傳動齒輪（圓周速度小于5m/s),VDI2545標準推薦使用周圍環鏡溫度。
4.塑料齒輪強度分析的基本方程式
VDI2545基于DIN 3990,并適用于塑料齒輪。因此，這兩個公式與DIN3990中的公式接近，而因ISO 6336和DIN 3990的主要公式是相同的，所以也跟ISO 6336中的公式接近。
5.塑料齒輪輪齒的變形
對比塑料和鋼，很明顯塑料的楊氏模量大約比鋼小兩個數量級，例如：聚甲醛2800N/mm2對比鋼206000N/mm2。雖然大多數齒輪依據強度要求來分級，而塑料齒輪輪齒的相對變形量要比金屬齒輪來的大，這樣就增大了對輪齒變形量檢測的必要性。
在各類減速齒輪箱塑膠齒輪的應用上，蘇州維本工程塑料Wintone Z33耐磨靜音齒輪專用工程塑料，可以幫助您解決以下問題：
1.POM和PA66齒輪噪音比較大，耐磨耐疲勞性不夠的問題，POM齒輪易斷齒的問題。
2.PA12和TPEE齒輪，太軟扭矩太小，耐磨性不夠，在60攝氏度以上時，扭力下降比較快。
3.POM和PA66齒輪的耐腐蝕性不夠，POM齒輪和注塑功能件易磨損粉屑化的問題。
4.尼龍46齒輪的降噪性不夠，尺寸受水份影響比較大。
Z33材料作為一款強韌耐磨型工程塑料，在齒輪應用上最顯著的特點是：耐磨、靜音、耐腐蝕、強韌且不受水份影響。Z33材料的典型成功應用為：微小型減速齒輪箱、電動推桿、汽車轉向系統EPS齒輪、按摩器齒輪、汽油機凸輪、電助力自行車中置電機齒輪、電動剃須刀等等傳動齒輪。
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