锦纶纳米复合材料的传动效率

锦纶纳米复合材料的传动效率摘要：由锦纶及其复合材料构成的齿轮由于其卓越的性能而得到越来越广泛的应用。这篇论文研究报告了PA6（原始锦纶材料）和PNC（黏土结合锦纶材料）直齿轮的传动效率。做了大量的实验来预测摩擦和磁滞造成的能量损失。一个在内部开发的功率吸收式齿轮试验台被用来确定转换过程中的能量损失。应用扭矩在PA6和PNC直齿轮转换效率中发挥的作用被报告出来。纳米黏土的应用提升了刚度并且抑制了polymide6的粘弹性的本性。轮齿温度的上升（由于磁滞和摩擦造成）显著影响了齿型，因而影响了齿轮运转。机械特性得到强化的齿轮即加入了锦纶纳米复合材料的齿轮比原始的锦纶齿轮有更高的传动效率。一：介绍：齿轮用来传递运动或能量。近年来，聚合物在轻载应用中正在取代金属材料，比如说测量设备，医疗设备，电脑外设，办公打印机器以及自动取款机。因为它具有重量轻，防腐蚀，易制造和能在干燥环境下工作等优点。对金属齿轮的表现进行过很多理论和实验研究。然而几乎没有关于锦纶齿轮表现的论文。对金属齿轮来说，齿轮模块是高速或大扭矩运行条件下齿轮啮合机械效率最重要的参数，紧接着是齿面粗糙度和润滑油粘度。齿轮之间的滑动摩擦被认为是齿轮传动过程中能量损失的主要形式之一，也被认为是振动和噪音的主要来源。Diab等。已经使用弹流润滑模拟器研究了齿轮在多种滚动及滑动情况下的摩擦力情况并且提出了新的牵引法则。徐等。为平行轴齿轮副与摩擦相关的机械效率损失的预言提出了一个计算模型。这个模型将一个齿轮负载分配模型，一个摩擦模型和一个机械效率公式结合在一起来预测一个齿轮副在典型的工作条件，表面，及润滑条件下的瞬时的机械效率。据报告这个模型更加精确，和实验结果只有0.1%的偏差。徐和Kahraman也对准双曲面齿轮副提出了相似的模型。附录和无线电广播对齿轮强度和基本性能参数的影响在他处得到解释。金属齿轮的表现取决于接触齿轮之间的摩擦损失因为轮齿挠度再高的弹性模量下是可以忽略的。Walton等人已经实验性的研究和报告了轮齿材料和齿面几何形状对塑料齿轮效率和摩擦的影响。对一些材料来说齿轮效率受到负载和其他因素比如说速度的显著影响。将润滑脂作为润滑物应用于聚合物齿轮上显著提高了效率并且减少了载荷和速度的关系。聚合物齿轮的效率随着越来越高的运转时间而降低但减少轮齿大小会提高效率。聚合物齿轮因为弹性模量低（比钢的少一百倍）和粘弹性的本性会产生更多的热。聚合物热传导性的不足导致产生的热在齿轮内部积累。轮齿温度的升高降解了聚合物使齿轮副的表现降低。数学模型被提出和发展用来报告聚合物齿轮在啮合过程中因为摩擦和磁滞损失产生的热量的数量。直齿圆柱齿轮的旋转速度影响了无筋和玻璃纤维增强直齿轮的表现。初始润滑脂的应用显著减少了碳纤维增强聚醚醚酮齿轮和碳纤维增强聚酰胺12齿轮的磨损。一个基于齿轮磨损速度和他的表面温度之间联系的新的设计方法因为缩醛齿轮被发展起来。研究人员企图通过在单齿接触区增加轮齿宽度来降低轮齿表面温度。通过在轮齿上钻一个空来降低表面温度而且插入钢钉之后得到了进一步降低。在轮齿上钻孔降低了轮齿刚度并导致了大幅度的轮齿偏转。只要正确选择孔的大小和位置就能有效地实现通过这个孔的热量耗散。通过钻很多径向和轴向的冷却孔就能有效减少表面温度和磨损。齿轮副的表现依赖于材料，几何形状，速度，负载情况和摩擦力。聚合物齿轮的力转换效率可以通过加入短纤维增强基质强度而得到提升。成型表面的强纤维的出现降低了表面粗糙度。而且，纤维的方向控制着齿轮刚度，很难使纤维方向在整个轮齿上保持有效的方向。因此，只有一部分短纤维被有效地用来增强聚合物齿轮的刚度。聚合物纳米复合材料是新出现的使用纳米大小的粒子作为增强物的材料。纳米大小的粒子有大的比表面和与兼容的聚合物好的接触表面平均粘附度。纳米大小的增强材料和和聚合物之间分子水平的相互作用提高了很多机械特性，尤其是刚度和强度。纳米水平的增强提高了聚合物的结晶度降低了聚合物链流动性。纳米大小的增强也增加了玻璃化转化温度和聚合物的阻隔性。本文描述了用数值分析估计的PA6和PNC齿轮之间的载荷分担。实验研究被用来解释力矩对齿轮表现的影响。摩擦和磁滞造成的能量损失也被讨论。二：数值研究：为了保证平稳持续的运行，齿轮组是由接触比大于一的齿轮构成。啮合过程中，相邻的齿在啮入过程的开始和啮出过程的末尾开始接触。因为不止一个齿在接触，在相邻的齿之间存在一个载荷分配，一个齿在啮合周期的一部分时间里承担载荷。由于金属齿轮具有高的刚度，所以轮齿偏转很小，因此，和理想齿轮副相比在负载分配方面几乎没有差别。对聚合物齿轮而言，由于其刚度低，轮齿偏转十分显著，因此，和理想齿轮副相比在负载分配方面有很大不同。为了理解聚合物齿轮轮齿偏转对负载分配的影响，用商用软件包ANSYS进行了一项分析FEA。FE模型用每个齿轮上的三个齿来捕捉相邻的齿在轮齿偏转中的作用。因为表面齿宽和轮齿接触宽度相比很大，三角形平面应变单元被用来啮合齿型。齿轮轮齿的接触情况对接触面几何形状很敏感，因此，良好的啮合应该在接触区域附近。齿轮有限元网格的详细图片见图一。对所有材料的线弹性变形行为进行了评估，这次分析