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碳纖維復合材料齒輪與齒輪箱

2017-02-21 13:15:30 作者：本網(wǎng)整理來源：中國復合材料學會分享至：

    作為基礎傳動元件之一，齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀50年代前，齒輪多用碳鋼，60年代改用合金鋼，而70年代多用表面硬化鋼，調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼、滲碳淬火鋼和滲氮鋼逐漸成為制造齒輪的常用材料。不同的材質(zhì)被用于不同齒輪的制造，一般來說鑄鋼的強度比鍛鋼稍低，常用于尺寸較大的齒輪；灰鑄鐵的機械性能較差，可用于輕載的開式齒輪傳動；球墨鑄鐵可部分地代替鋼制造齒輪；塑料齒輪多用于輕載和要求噪聲低的地方，與其配對的齒輪一般用導熱性好的鋼齒輪。隨著齒輪應用設備在性能和技術方面的不斷提升，齒輪也需要向重載、高精度和高效率的方向發(fā)展。在此情況下，強度高、重量輕、壽命長的碳纖維復合材料齒輪應運而生。

    與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維復合材料用于齒輪制作時有以下幾個方面的優(yōu)勢：

    一是碳纖維材料的拉伸強度高，高強型碳纖維強度甚至能達到2000－4000MPa，通常，齒輪在施加于齒面的壓力作用下，齒根會受到拉伸應力，使用碳纖維復合材料制作齒輪可以有效減弱這種應力，延長齒輪的使用壽命。

    二是碳纖維增強樹脂基復合材料具備質(zhì)量輕的特點，以這種齒輪替代汽車等配備的傳統(tǒng)金屬齒輪，有利于實現(xiàn)輕量化、高效率的生產(chǎn)目標。

    三是由于碳纖維復合材料的流變特性和塑化性能優(yōu)越，由其制成的齒輪在外觀上顯得更加光潔，尺寸規(guī)則、重量偏差小，齒輪的精度相比更高。在應用于機械設備安裝時不僅能做到嚴絲合縫，更能有效保護齒輪傳動軸，使設備運行更加穩(wěn)定和精確，為產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供了基礎保障。

    四是碳纖維復合材料還有耐磨損、耐腐蝕的優(yōu)勢。碳纖維復合材料齒輪的磨損速度遠遠低于傳統(tǒng)齒輪，使用壽命是原齒輪的四倍以上。齒輪的長時間平穩(wěn)運轉(zhuǎn)保證了生產(chǎn)的正常進行，有效節(jié)省了設備的運行維護費用，降低了生產(chǎn)成本。

    據(jù)測試，用碳纖維復合材料制成的齒輪在拉伸強度和彎曲強度方面都有顯著的提高。這種高強度確保了齒輪在使用過程中減少了變形、斷齒、缺齒的發(fā)生幾率，也能更好地應對設備過載、機械損傷等問題。因為滿足了設備長時間高負荷運轉(zhuǎn)，所以有效減少了設備非計劃的停機次數(shù)，從整體上提高了生產(chǎn)效率。但是由于加工難度較大，該方面的實際應用舉步維艱。早在2015年，就有公司開發(fā)出利用碳纖維材料強化的樹脂齒輪，預計在2017年年中投入批量生產(chǎn)，這種新開發(fā)出的齒輪生產(chǎn)工藝一旦正式投如使用，將用于機械部件的大量生產(chǎn)，比如替代汽車等配備的金屬齒輪。國內(nèi)的碳纖維復合材料齒輪研發(fā)還處在初始階段，并且只局限于個別行業(yè)中。兩年來，“克”級碳尼材料齒輪已在生產(chǎn)線上逐步替代傳統(tǒng)純尼龍齒輪，齒輪的使用壽命得到了成倍的增加。

    與碳纖維復合材料齒輪相比，將碳纖維復合材料用于齒輪箱制作的可能性也引起了行業(yè)內(nèi)的重視，比如高鐵齒輪箱的應用。高鐵齒輪箱是由齒輪、箱體、軸承及潤滑機構(gòu)等組成，電機的動力就是由這個裝置傳送到列車上的。因而，該裝置屬于高鐵列車的核心部件之一。

    當列車時速從200公里提升至380公里時，從動齒輪的線速度將從每秒35米躍升至每秒70米。如此高的轉(zhuǎn)速，對齒輪本身的性能、齒輪間的嚙合、箱體的密封可靠性等都提出了極大的挑戰(zhàn)。另外，高速鐵路在途徑高寒地區(qū)時，還需應對零下幾十攝氏度的低溫、高達幾十厘米的積雪、深達數(shù)百厘米的凍結(jié)土壤，這種惡劣的運營環(huán)境對高速列車的正常行駛同樣是艱巨的難題。綜上所述，制作齒輪箱必須選擇強度高、重量輕、較大溫差下蠕變性小、加工精度高的材料。