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大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 蜗杆传动结构紧凑、工作平稳、无噪声，能够得到很大的传动比，是机器、设备和 仪器最常见的机械传动方式之一，在近代工业中获得了非常广泛的应用，因而国内外每 年要消耗大量贵重有色金属青铜用于制造蜗轮轮圈。研究探索新型蜗轮材料取代青铜制 作蜗轮具有非常可观的经济效益和重要经济价值。本文主要完成的研究工作如下： 选择两组材料：p a 6 为基，玻璃纤维为增强材料，石墨、m o s 2 为改性添加剂的 g f r p a 6 和p a 6 为基，玻璃纤维和钛合金组成的混合物为增强组份，m o s 2 为改性添加 剂的x w 。通过改变每组材料中各组分之间的成份配比，进行机械性能、摩擦学性能和 热性能实验，综合比较，确定出每组材料中的最佳成份配比。 选用最佳配比的x w 材质制成蜗轮，并与z q s n l 0 1 蜗轮对比，进行了承载能力实 验，实验结果证实了所选材质的可行性。 选用低档润滑剂2 0 号机械油，针对最佳材质进行了润滑剂实验，证实了使用低档 润滑剂简化的可行性。结果表明运用这种润滑剂时，不仅承载能力、传动效率显著提高， 而且润滑剂成本相当低廉。 运用部分膜弹流简单理论，进行了闪温计算，比较了x w 和z q s n l 0 1 在与钢组成 摩擦副时的胶合判据，从闪温和临界温度高低比较了两种材质的抗胶合性。结果表明， x w 与钢组成摩擦副时闪温低，具有优异的抗胶合性。 用摩擦学系统分析方法对不同材质蜗轮组成的摩擦学系统进行了摩擦学特性的分 析，得出了x w 与钢组成摩擦副为最佳摩擦学系统。 关键词：蜗轮传动；改性；润滑剂；闪温；抗胶合 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 m a n u f a c t u r ea n dt r i b o l o g yr e s e a r c ho fn e wt u r b i n em a t e r i a l a b s t r a c t w o r mt r a n s m i s s i o nh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，s t e a d yw o r ka n dn os o u n d s ， w h i c hc a nh a v ep r o d i g i o u st r a n s m i s s i o nr a t i oa n db ea p p l i e dw i d e l yi nl a t t e r - d a yi n d u s t r y ，s o am a s so fc o s t l yn o n - f e r r o u sm e t a la r em a n u f a c t u r e di n t ow o r l t ir i mh o m ea n da b r o a d i ti s h a sav e r yc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t sa n da ni m p o r t a n te c o n o m i cv a l u et ow o r ms t u d y a n de x p l o r en e wm a t e r i a l st or e p l a c et h ep r o d u c t i o no fb r o n z ew o r m i nt h i sp a p e r ，t h ew o r k s a r ea sf o l l o w s t w os e t so fm a t e r i a l sa r es e l e c t e da n da r eb a s e do np a 6 i no n em a t e r i a l ，g l a s sf i b e ri s u s e db yr e i n f o r c e m e n t s ，g r a p h i t ea n dm o s 2a r ea d d e db ym o d i f i e da d d i t i v e ，g f r p a 6 i n a n o t h e rm a t e r i a l ，g l a s sf i b e ra n dt i t a n i u ma r eu s e db yr e i n f o r c e m e n t s ，m o s 2i sa d d e db y m o d i f i e da d d i t i v e ，x w b yc h a n g i n gt h em a t e r i a l si ne a c hg r o u pb e t w e e nt h ev a r i o u s c o m p o n e n t so ft h ec o m p o s i t i o nr a t i o ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s a n d t h e r m a lp r o p e r t i e so fc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n , t od e t e r m i n et h eb e s ti ne a c hm a t e r i a l e l e m e n to fp r o p o r t i o n t h eb e a r i n gc a p a c i t ye x p e r i m e n t sa r ec a r r i e di n t oe x e c u t i o n ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s e l e c t e dm a t e r i a la r ec o n f i r m e d ，b ys e l e c t i o no ft h eb e s tr a t i oo fx wm a t e r i a lm a d eo fw o r m ， a n dz q s n l 0 - 1w o r l nc o n t r a s t b ys e l e c t e do fl o w g r a d em e c h a n i c a lo i ll u b r i c a n to nt h e2 0 t ha n da i m i n ga tt h eb e s t m a t e r i a l ，t h el u b r i c a n t se x p e r i m e n ta l eo p e r a t e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fs i m p l i f y i n gt h e l u b r i c a n ta r ec o n f i r m e d l u b r i c a n t sa r ei n t r o d u c e d ，n o to n l yc a r r y i n gc a p a c i t y a n d s i g n i f i c a n t l yi m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，b u ta l s ol o w i n gc o s to f l u b r i c a n t s t h eu s eo ft h ef i l me h l s i m p l et h e o r y ，af l a s ht e m p e r a t u r ei sw o r k e do u t w h e nt h ep a i r b o n d i n gc r i t e r i o ni sc o m p o s e d ，b yc o m p a r i n gt h ex w a n dz q s n l o 一1w i t ht h ec o m p o s i t i o no f s t e e l ，t h ea n t i - b o n d i n go ft w om a t e r i a l si sc o m p a r e dw i t h f l a s ht e m p e r a t u r ea n dc r i t i c a l t e m p e r a t u r e t r i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i e so fd i f f e r e n tm a t e r i a l sw o r ma r ea n a l y z e db ys y s t e ma n a l y s i s m e t h o do ft r i b o l o g y , ai m p o r t a n tr e s u l ti so b t a i n e dt h a tx wf r i c t i o nw i t ht h es t e e lc o m p o n e n t s o ft h es y s t e ma st h eb e s tt r i b o l o g i c a l k e yw o r d s ：w o r mt r a n s m i s s i o n ；m o d i f i c a t i o n ；l u b r i c a n t ；f l a s ht e m p e r a t u r e ；a n t i - b o n d i n g i i 大连理丁大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：1堑型塑辁挝盘亟剑丞墓麈益堂狃究 作者签名：熟鱼硷 日期：么垒夔二年互月丑日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 现代机械制造工业中，蜗杆传动是机器、设备和仪器最常见的机械传动方式之一， 起着极其重要的作用。蜗杆传动结构紧凑、工作平稳、无噪声，能够得到很大的传动比。 在传递动力时传动比一般为8 1 0 0 ，甚至高达1 0 0 0 。蜗轮传动是传递交错轴( 交错角通 常采用9 0 0 ) 间动力或运动的传动机构。它主要由蜗轮和蜗杆组成，蜗杆相当于一单头 或多头等导程螺旋，蜗轮则是变态斜齿轮【卜2 】。 蜗轮传动具有以下优点【峪巧】： ( 1 ) 采用一级蜗轮传动就可以实现很大传动比，结构紧凑。在要求大传动比的场 合，采用一级蜗轮传动往往可以代替多级齿轮传动。不仅减少了零件数目，而且简化了 机构。 ( 2 ) 工作平稳，噪音小。由于蜗杆齿面是连续不断的螺旋面，而蜗轮在同一时刻 处于啮合中的齿不小于两个，所以蜗轮、蜗杆的啮合是连续的。因此，在制造精度与工 作条件相同时，由制造误差引起的附加动载荷与齿轮传动相比小得多。 由于以上优点，蜗轮传动在近代工业中得到了广泛的应用。在机械制造业中，普通 圆柱蜗轮传动的应用尤为普遍，而且几乎成了一般低速传动工作台和连续分度机构的唯 一传动形式。冶金工业中的扎机压下机构大多都采用大型蜗轮传动；蜗轮传动还广泛应 用于煤矿设备中的各种类型的绞车及采煤机组牵引传动，起重运输业各种提升设备等传 一t 动。 然而，蜗轮传动缺点也比较明显。由于这些缺点，使其应用受到了限制，其主要缺 点为【1 ，卯】： ( 1 ) 在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动效率低。 效率低表明动力损失大，相当于部分能量消耗于啮合摩擦上，故蜗轮传动所能传递 功率受到了限制。 ( 2 ) 一般需要贵重减摩材料，耗大量贵重有色金属。 蜗轮传动工作时，由于齿面间有相当大的滑动速度，容易导致齿面的磨损和胶合。 为减小摩擦、磨损和工作温度，以提高传动承载能力和效率，一方面，要有良好的润滑， 另一方面，对蜗轮副提出减磨、耐磨和抗胶合性能的要求。采用钢质蜗杆时，要求采用 青铜蜗轮轮圈【8 1 0 】。 当今世界上，青铜的储量日渐减少，价格昂贵，尤其是锡的储量更为稀少，以至于 锡青铜只用于非常贵重的蜗轮传动中。有人对地球上已探明的金属材料的储量进行了估 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 计，n - 十一世纪常用的有色金属材料将逐渐枯竭。现在看来，这种说法未免言过其实 了，但仍说明了探索一种新材质代替青铜的紧迫性。 因此，研究探索新型蜗轮材料取代青铜制作蜗轮，使蜗杆传动具有良好的承载能力、 传动效率和润滑条件，具有非常可观的经济效益和重要经济价值。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 文献综述 1 1 蜗轮蜗杆技术的应用和发展 齿轮传动是在十八世纪欧洲工业革命的推动下开始作为一种机械基础件而普遍应 用的，用于将原动机的运动和动力传递给工作机，并改变运动的速度和形式、力或力矩 的大小和方向，使之适应工作机的需要。蜗轮传动的基本元件是蜗杆和蜗轮，其齿形大 多数由直线、平面或者平面上的曲线经过一次或两次展成运动形成。蜗杆和蜗轮轴间的 夹角可以是任意的，但一般通常为9 0 。，蜗杆为主动件，蜗轮为被动件。 蜗杆传动具有传动比大、体积小，运行平稳、噪音小等特点【3 “】，在现代工业中应 用非常广泛，在机床制造业中，普通圆柱传动的应用尤为普遍，并且几乎成了一般低速 传动工作台和连续分度机构的唯一传动形式；冶金工业机压下机构都采用大型蜗杆传 动；煤矿设备中的各种类型的绞车及采煤机组牵引传动；起重运输业中各种提升设备、 电梯、自动扶梯及无轨电车等的传动。其他，如精密仪器设备、军工、宇宙观测部门中， 蜗杆传动常用作分度机构、操纵机构、计算机构、测距机构等等。大型天文望远镜、雷 达等也离不开蜗杆传动。 蜗杆传动的历史虽然很长，但得到迅速发展还是二十世纪初开始的，尤其是近三十 年代来，随着空间啮合理论的不断突破，工业生产迅速发展的需要，动力蜗杆传动在高 速、重载、小速比条件下使用得越来越多。为了适应这种要求，人们不断地探索提高蜗 杆传动性能的途径。这首先是寻找最佳的轮廓形状，其次是提高蜗杆齿面的硬度、蜗杆 和蜗轮的齿面粗糙度、传动精度等指标，以期获得良好的使用性能和工艺性能。近几十 年来，国内外在蜗杆传动的研制取得了很大的进展，相继出现了很多新型蜗杆传动，例 如圆弧齿圆柱蜗杆传动，平面二次包络弧面蜗杆传动及锥蜗杆传动等等，这使蜗杆传动 的发展达到了相当高的技术水平。 圆弧齿圆柱蜗轮传动，首先出现在西德，继而出现在苏联、日本等国。我国从六十 年代初也开始了这种新型蜗杆传动的研制。十多年来，我国在研制和生产方面都取得了 很大的成绩，仅天津蜗轮减速器厂就生产了6 0 0 0 余对蜗轮副【6 捌。实践证明，圆弧齿圆 柱蜗轮比阿基米德蜗杆的承载能力高5 0 1 0 0 ；传动效率约高1 0 1 5 ；在相同条件下， 使用寿命增加一倍至两倍。 1 9 7 1 年首都钢铁机械厂在重庆大学的协助下制造了我国第一套平面二次包络环蜗 杆传动，它的问世推动了学术界对齿轮啮合原理的研究【1 0 】。张光辉研究了平面二次包络 蜗杆传动的齿面啮合状态，韦云隆分析了平面二次包络环面蜗杆传动的摩擦和润滑性 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 能，并提出了产行母面为指锥面的二次包络环面蜗杆传动。1 9 9 3 年秦大同分析了二次包 络环面蜗杆传动在加工和安装误差的条件下齿面的啮合状态，控制点领域的几何结构和 运动传递误差等，提出利用失配啮合的方式调整控制接触状态及接触区在齿面上的位 置，以降低对误差的敏感性【1 1 1 。石万凯等根据误差补偿原理，提出了基于齿面三坐标测 量数据的z c i 蜗杆高精度制造方法。这一时期，齿轮研究者还相继提出了产形母面为锥 面和球面的二次包络环面蜗杆传动，并研究了诱导法曲率、接触线和齿面的相对速度等 几何和运动参数，以及一类界点和二类界点领域的啮合特性和各种变位方法，在工艺方 面则研究了设计参数的优选、工装结构、蜗轮滚刀结构和跑合方法等与生产有关问题。 这些研究成果使我国蜗杆传动产品设计和制造的水平大为提高，并保持了在这个领域的 国际先进水平。 关于蜗杆传动的今后研究方向，1 9 7 9 年7 月蒙特利尔第五届国际及其与机构理论联 合会( i f t o m m ) 代表会议纪要中曾提出【1 3 - 搭】，应将特殊蜗杆传动的发展以及传统圆柱 蜗杆传动的应力模式有关数据的获取，作为今后重点研究方向。 渐开线蜗杆( z i 型) 是普通圆柱蜗杆中的其中一种，由于加工这种蜗杆的机床的专 用性太强，我国没有广泛发展这种机床，因此我国对渐开线蜗杆的研究还不够深入，在 上世纪八十至九十年代，世界各国以对渐开线蜗杆进行了较为广泛的研究分析。1 9 8 5 年，苏联科技工作者发现阿基米德蜗杆和渐开线蜗杆同圆锥形成的蜗杆传动在几何接触 上无重大差别，在具有渐开线蜗杆的蜗轮传动中，同其他形式的蜗轮传动相比，几何接 触可以得到很大的改善；利用蜗轮副破坏的规律性，提出了以函数形式表示的渐开线蜗 轮传动进行了承载能力和效率的研究，研究了对麻点形成的影响，以及传动比在5 5 0 条件下油品粘度，接触应力，滑动速度对磨损和传动效率的影响，在液压脉动装置和静 态试验台上研究了一次有效在和疲劳载荷作用下齿根的强度特性。1 9 8 6 年德国科技工作 者对渐开线圆柱蜗杆齿的强度进行了研究。1 9 9 0 年意大利科技工作者对渐开线蜗杆传动 中接触线进行了分析。 在国内，1 9 9 8 年商向东分析了渐开线蜗杆齿形磨削过程中存在的径向干涉、螺旋干 涉等问题，讨论了平面包络法、锥面砂轮展成法、创成直母线修整法三种方法的优缺点： 蔡善乐提出了一种双曲线拟合渐开线蜗杆法剖面齿形的新方法，并用轴剖面为双曲线的 回转双曲面砂轮圆磨渐开线蜗杆；2 0 0 1 年魏栋梁研究用s b 6 5 1 0 车齿机加工渐开线蜗杆 可获得较高的加工精度；1 9 9 9 年朱文俊运用最小二乘法开发出渐开线蜗杆传动的计算辅 助程序。 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 普通圆柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆( 如图1 1 ) 的齿面( 除z k 型蜗杆外) 一般是在车床上用直线刀刃 的车刀车制的。根据车刀安装位置的不同所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲 线也不同。根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆( z a 蜗杆) 、渐 开线蜗杆( z i 蜗杆) 、法向直廓蜗杆( z n 蜗杆) 和锥面包络圆柱蜗杆( z k 蜗杆) 等 四种。g b l 0 0 8 5 8 8 推荐采用z i 蜗杆和z k 蜗杆两种。现将上述四种普通圆柱蜗杆传动 所用的蜗杆及配对的蜗轮齿形分别介绍如下。 图1 1 普通圆柱蜗杆传动 f i g ilo r d m a r vc y l i n d r i c a l w o i t t i d r i v e ( 1 ) 阿基米德蜗杆( z a 蜗杆) 这种蜗杆，在垂直于蜗杆轴线的平面( 即端面) 上，齿廓为阿基米德螺旋线，在包 含轴线的平面上的齿廓( 即轴向齿廓) 为直线，其齿形角c t 0 = 2 0 。它可在车床上用直线 刀刃的单刀( 当导程角t 9 0 时) 或双刀( 当7 3 0 时) 车削加工。安装刀具时，切削刃 的顶面必须通过蜗杆的轴线。这种蜗杆磨削困难，当导程角较大时加工不便。 ( 2 ) 法向直廓蜗杆( z n 蜗杆) 这种蜗杆的端面齿廓为延伸渐开线，法面( n 加齿廓为直线。z n 蜗杆也是用直线刀 刃的单刀或双刀在车床上车削加工。这种蜗杆磨自起来也比较困难。 ( 3 ) 渐开线蜗杆( z i 蜗杆1 这种蜗杆的端面齿廓为渐开线，所以它相当于一个少齿数( 齿数等于蜗杆头数) 、 大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮。z i 蜗杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削加工。刀 刃顶面应与基圆柱相切，其中把刀具高于蜗杆轴线，另一把刀具则低于蜗杆轴线。刀 具的齿形角应等于蜗杆的基圆柱螺旋角。这种蜗杆可以在专用机床上磨削。 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 ( 4 ) 锥面包络圆柱蜗杆( z k 蜗杆) 这是一种非线性螺旋曲面蜗杆。它不能在车床上加工，只能在铣床上铣制并在磨床 上磨削。加工时，除工件作螺旋运动外，刀具同时绕其自身的轴线作回转运动。这时， 铣刀( 或砂轮) 回转曲面的包络面即为蜗杆的螺旋齿面，在i i 及n n 截面上的齿廓均 为曲线。这种蜗杆便于磨削，蜗杆的精度较高，应用日渐广泛。 至于与上述各类蜗杆配对的蜗轮齿廓，则完全随蜗杆的齿廓而异。蜗轮一般是在滚 齿机上用滚刀或飞刀加工的。为了保证蜗杆和蜗轮能正确啮合，切削蜗轮的滚刀齿廓， 应与蜗杆的齿廓一致；深切时的中心距，也应与蜗杆传动的中心距相同。 1 3 蜗轮蜗杆用材质研究现状 蜗轮蜗杆传动是工业上一种典型的较高速比的减速机构，其结构紧凑，传动平稳、 噪声较小。但蜗轮的材质一般要求采用价格昂贵的铜金属，因此研究一种传动效率高、 强度高、耐磨性好而又价格便宜的蜗轮新材质具有重要的意义。 在探索蜗轮材质方面，国内外已经进行了一定的工作。最近几年，苏联人用卡普隆 制成了蜗轮，据说是取得了良好的效果，卡普隆材料具有高的耐磨性和磨合性【l 卜1 4 】。 前苏联人采用卡普隆材质，制成了普通圆柱蜗轮和球面蜗轮，与z q 4 1 9 4 材质制作 的普通圆柱蜗轮和球面蜗轮进行了对比实验( 相对滑动速度v s = 6 m s ) ，实验结果表明： 额定扭矩分别提高了o 3 倍和2 倍，减速器传动效率分别提高了4 6 和1 8 2 0 。碎石 送料机中蜗轮减速器用卡普隆蜗轮，在工作了四年( 两万小时) 后处于良好状态，其寿 命比青铜蜗轮提高了两倍【l5 1 。 工程塑料是指在较宽温度范围内和较长使用时间内能够保持优良性能，并能承受机 械应力作为结构材料使用的一类材料。工程塑料蜗轮的采用，不仅可以节约贵重有色金 属青铜，同时也使机器重量大大降低【蛤1 7 】。前苏联人还给出了卡普隆蜗轮的适用范围。 建议在以下情况下采用之：传递功率在2 k w 4 k w 之间，油温小于9 0 1 0 0 ，滑动速 度小于3 - 4 m s 1 2 1 3 1 。 国内在这一方面也有所研究：如济南有色金属研究所研制出了新型蜗轮材料希 土铝合金，据说性能略优于锡青铜，成本可降低三分之一【l 引。河南省周口市石轴瓦厂研 制出了高耐磨锌基合金z n a l c u m n ，据说性能优于锡青铜，成本可以降低4 0 1 9 - 2 1 】。有 些研究者用尼龙6 做过实验，据说未取得好的效果【2 2 1 。大同市橡胶厂用石墨、石英砂添 充m c 尼龙制作蜗轮，在无油润滑条件下工作，寿命超过了青铜蜗轮，降低了成本，取 得了很大经济效益【2 3 1 。天津微型蜗轮减速机厂部分蜗轮已开始用非金属制造。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 总之，国内外在探索蜗轮新材料方面已经取得了很大进展，然而，现有的工作还远 远不够。 稀土铝合金、高耐磨锌基合金比重轻、强度高，且属于非磁性物质，内耗不受磁场 影响；耐磨性强、铸造性能强：具有良好的导热性、导电性，良好的阻尼性能、良好的 防腐蚀性能等，可广泛应用于建筑机械、工程机械、农业机械等【2 4 】。但工业中应用实例 较少【2 5 1 ，效果如何还难以定论。但即便其效果好，因其仍属有色金属，也只能缓解一时， 从长远着想，有前途的应属工程塑料，因为七十年代就有人估计，到2 0 0 0 年，塑料结 构材料中的比例将上升为7 8 ( 钢铁1 2 ) ，超越钢铁，而且价格相当廉价 2 6 - 2 8 1 。 高强度锌铝合金是七十年代中后期在国外迅速发展起来的新型有色金属，八十年代 中期在国内也受到了重视和发展。由于其机械性能和耐磨性能良好，可以代替铜金属制 作某些耐磨零件，成本较铜合金低廉，熔炼简单、耗能小，收得率高，以及无污染而具 有明显的经济效益和社会效益【2 9 1 。 用于蜗轮制作的另一种材料是陶瓷。陶瓷材料是近些年突起的新材料，由于其特殊 的制作结构特点，陶瓷蜗轮磨损性能好，即疲劳寿命高。而工程陶瓷材料的耐磨性极高， 采用m g p s z 陶瓷材料制作的蜗轮比金属蜗轮不但硬度高、耐磨损，而且材料的断裂韧 性能综合性能也好。但同样陶瓷材料在强度上有一定的缺吲3 0 】。 上世纪9 0 年代以后，尼龙合金的研制和发展加快了脚步，尼龙6 和尼龙6 6 等改性 尼龙开始代替铜等有色金属广泛应用于工业中。改性尼龙合金材料具有重量轻、节能效 果明显，耐磨、减摩和自润滑性能好，优良的吸震型、抗冲击性、抗疲劳强度和低噪音 性能，较高的机械强度、优异的性能比等优点，在蜗轮制造行业中得到了广泛应用。尼 龙合金作为当前工程塑料中应用比较广泛的一种，由于具有一定的强度和自润滑性，装 配维护方便等优点而得到广泛应用，但其机械强度相对较低，不能用于高速机械中【3 m 2 1 。 卡普隆属于工程塑料，符合材料发展方向，但从目前应用情况来看，卡普隆在蜗轮 上应用尚有一定条件性，况且国内对应材料尼龙6 效果不佳 3 3 - 3 4 】。 卡普隆材料应用的条件是由其固有特性决定的，即固有的机械性能、摩擦学性能和 热性能决定的。因而，探索机械性能、摩擦学性能和热性能更好的工程塑料作为蜗轮材 料成为研究的方向。 1 4 本文研究方向确定 工程塑料的耐磨性是极其重要的性能，各种耐磨性工程塑料具有优良的力学性能、 刚性、自润滑性、耐磨性，以及低摩擦因子和特殊的抗胶合性被广泛的应用于汽车、机 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 械的零部件，很大程度上取代了金属材料，但要开发性能优异的耐磨性工程塑料还需要 进一步的科学研究。 为探索机械性能、摩擦学性能和热性能更好的工程塑料，首先想到了那些高性能的 工程塑料，如1 9 6 4 年美国杜邦公司开发出来的聚酰亚胺，在高低温条件下都具有优良 的机械性能、耐磨性能。还有在聚酰亚胺推动下开发问世的聚砜、聚苯硫醚等一系列耐 热特种工程塑料【3 3 。3 4 】。然而，这些特种工程塑料原料成本高，合成工艺繁杂，成型困难， 使广泛应用受到了一定限制【3 ”6 1 。 获得高性能工程塑料的另一途径是：对现有产品进行填充改性，通用工程塑料通过 增强填充改性，在提高机械性能的同时，也扩大了使用温度范围。同时，也有可能提高 摩擦学性能。 通过把几种各具有不同优点的材料进行人工复合，构成复合材料，使各组分间相互 取长补短，从而获得具有力学、化学和摩擦学等方面良好综合性能的材料。国外有人预 言：二十一世纪将是复合材料的时代。 因此，本文主攻方向对准了以通用工程塑料为基的复合材料。符合的目标是使材料 具有更高的机械性能、摩擦学性能和耐热性能。复合材料的基底材料选中了尼龙6 ，因 为在普遍工程塑料之中，尼龙具有最佳综合性能【3 7 0 引，在世界各国应用最为广泛，而且 资源最为丰富。 石墨和二硫化钼填料可作为固体润滑剂降低复合材料的摩擦系数，提高其自润滑性 能。聚四氯乙烯粉末具有显著的降低摩擦系数、增强自润滑性能的功效。碳纤维具有降 低摩擦系数、降低磨损量以及增强材料导热性能的功效。由于增强纤维的作用，齿轮的 承载能力和尺寸稳定性远远高于单一材料的塑料齿轮，且耐热性能和疲劳性能也有了很 大的提高。 增强材料选用玻璃纤维和钛合金。玻璃纤维是目前应用最多的增强材料，玻璃纤维 有很高的拉伸强度，可高达1 0 0 0 3 0 0 0 m p a ，比高强度钢还高近两倍以上。由于玻璃纤 维在性能、工艺等方面具有良好的的综合性能，价格低廉，制取方便，因而是一种良好 的增强体【3 0 1 。 钛合金是一种性能优异的高分子材料增强剂，可以显著提高复合材料的强度和高温 性能，且具有较低磨损率【4 1 1 。改性固体润滑剂选用了石墨、m o s 2 。因为石墨具有自润 滑性和低的摩擦系数，导热率高，比铁大两倍，线膨胀系数小，有较高耐热性。m o s 2 在空气中从1 8 0 至4 0 0 c 都具有较低摩擦的自润滑性，热膨胀系数小。m o s 2 与金属表 面摩擦时，能形成具有一定粘附强度的转移膜，因而能获得良好的润滑性【4 2 4 3 1 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 随着现代工业技术的进一步发展，会有更多的高强度、高效、耐磨、耐腐蚀、耐疲 劳以及自润滑性能好的材料出现，同具有悠久历史的金属材料相比，具有更大的发展空 间。 1 5 本论文研究意义和内容 1 5 1研究意义 蜗杆传动在现代工业中应用非常广泛，为提高传动承载能力和效率，一般需要采用 一些贵重金属如青铜蜗轮轮圈，这样将会耗费大量贵重有色金属。 当今世界上，青铜的储量日渐减少，价格昂贵，尤其是锡的储量更为稀少，以至于 锡青铜只用于非常贵重的蜗轮传动中。有人对地球上已探明的金属材料的储量进行了估 计，到二十一世纪常用的有色金属材料将逐渐枯竭。现在看来，这种说法未免言过其实 了，但仍说明了探索一种新材质代替青铜的紧迫性，因为有色金属材料枯竭的日子确实 不远了。 因此，研究探索新型蜗轮材料取代青铜制作蜗轮，使蜗杆传动具有良好的承载能力、 传动效率和润滑条件，具有非常可观的经济效益和重要经济价值。 1 5 2 研究内容 如前所述，本论文的研究对象为以通用工程塑料为基的复合材料。复合的目标是使 材料具有更高的机械性能、摩擦学性能和耐热性能。复合材料的基底材料选中了尼龙6 ， 因为在普遍工程塑料之中，尼龙具有最佳综合性能，因而在世界各国应用最为广泛，而 且资源最为丰富。 基于以上考虑，本文做了如下研究工作： ( 1 ) 选了两组材料，确定了每组材料中之最佳成份配比。 第一组材料：以p a 6 为基，以玻璃纤维为增强材料，石墨、m o s 2 为改性添加剂， 称为g f r p a 6 。 第二组材料：以p a 6 为基，以玻璃纤维和钛合金组成的混合物为增强组份，以m o s 2 为改性添加剂，称为x w 。 通过改变每组材料中各组分之间的成份配比，进行机械性能、摩擦学性能和热性能 实验，综合比较，确定出每组材料中的最佳成份配比。 ( 2 ) 对采用最佳配比的材质制成的蜗轮，进行了承载能力实验，并与z q s n l 0 - 1 、 g f r p a 6 蜗轮承载能力进行对比，证实了所选材质的可行性，确定了最佳材质。 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 各种材质加工成圆弧齿圆柱蜗轮，这是基于一种保守的考虑：因为圆弧齿圆柱蜗轮 传动较之普通圆柱蜗轮传动承载能力高出5 0 1 0 0 ，效率高出1 0 2 0 。所以所选材质 即使达不到圆弧齿蜗轮的承载能力，达到普通蜗轮的承载能力却是相当可能的。用圆弧 齿塑料蜗轮传动代替普通青铜蜗轮传动也不失为一种工程中可行的方案。实验表明：所 选材质的圆弧齿蜗轮不仅达到而且超过了圆弧齿青铜蜗轮的承载能力脚4 7 1 。 ( 3 ) 蜗轮材质的变革，很可能会导致蜗轮传动润滑的重大简化。所以，选用了一 种低档润滑剂，针对最佳材质进行了润滑剂实验，证实了润滑剂简化的可行性，初步确 定了一种最佳润滑剂，运用这种润滑剂时，不仅承载能力、传动效率显著提高，而且润 滑剂成本相当低廉。 ( 4 ) 运用部分膜弹流简单理论，进行了闪温计算，比较了x w 和z q s n l o 1 在与 钢组成摩擦副时的胶合判据，从闪温和临界温度高低比较了两种材质的抗胶合性，从宏 观上定性解释了实验结果。 ( 5 ) 从边界润滑和材料焊合倾向两方面比较了x w 、z q s n l o 1 与钢成副的抗胶合 性，从微观上解释了实验结果。 ( 6 ) 用摩擦学系统分析方法对不同材质蜗轮组成的摩擦学系统进行了摩擦学特性 的分析。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2x w 材料蜗轮实验研究 2 1 引言 为探索聚合物基复合蜗轮材料，采用p a 6 为基体的材料复合方案。在p a 6 的基体 中加入了增强纤维、钛合金和几种固体润滑剂，借以提高其机械强度和耐热性，并进一 步改善其摩擦学性能。经长期实验，采用正交实验法筛选了一种适于蜗轮传动的复合材 料x w 型蜗轮材料。经整机实验表明：x w 型材料蜗轮的承载能力和工作效率等性 能指标都略高于锡青铜蜗轮；而且可以采用低档润滑剂2 0 号机械油进行润滑并导致传 动效率和承载能力等性能指标进一步提高。 2 2 复合材料组分摩擦学实验 2 2 1实验参数 为了弄清各种因素对其摩擦学性能的影响关系，设计实验测试了材料的摩擦磨损性 能参数。 本实验是以中心距a = 1 2 0 m m 的蜗轮减速机额定工作条件为实验条件而进行的。即相当 于m m 2 0 0 摩擦实验机p = 8 0 k g ，磨轮转速n = 4 0 0 r p m 的工况条件。实验中采用飞溅润滑 方式，摩擦材料为4 5 # 钢淬火达到h r c 6 0 ，表面粗糙度为o 8 以上。对3 种组成方案， 1 2 个试件进行了正交实验( 见表2 1 ) 。 图2 1 试样几何尺寸图 f i g 2 1 d i m e n s i o no fs p e c i m e n 壅 t 、o i旦 b l 琵 _ 上 且 可当 口剧目 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 f上试绎 l 一、 一 f 一，斌件 水平 123 玻璃纤维 2 0 2 5 3 0 因 石墨0 2 4 素 m o s 2 02 舭 钛合金0 0 5 1 2 2 2 实验试样 图2 1 和2 2 为试样几何尺寸图。 2 2 3 组分摩擦实验结果与分析 实验结果需要考虑组分与摩擦性能之间的关系。本文中，摩擦性能用磨损量i 、摩 擦系数f 以及摩擦温度t 来衡量。在其他条件不变的情况下，i 越大，f 越大，温度t 越 高，摩擦性能越差。 下面分析不同组分含量下，各摩擦性能的变化情况。 图2 3 2 5 为玻纤含量n 与摩擦性能的关系。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 0 0 l 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 2 0 2 22 42 62 83 0 n 图2 3 玻纤含量n 与磨损量i 之间关系 f i g 2 3 r e l a t i o nb e t w e e ng l a s sf i b e rc o n t e n ta n da b r a s i o nv a l u e 0 0 3 0 0 2 0 0 1 o 2 02 2 2 62 83 0 n 图2 4 玻纤含量n 同摩擦系数f 2 间关系 f i g 2 4 r e l a t i o nb e t w e e ng l a s sf i b e rc o n t e n ta n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t 1 3 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 4 0 3 8 p 、 一 3 6 3 4 2 02 22 42 62 83 0 n 图2 5 玻纤含量n 与试件摩擦温度t 之间的关系 f i g 2 5 r e l a t i o nb e t w e e ng l a s sf i b e rc o n t e n ta n df r i c t i o nt e m p e r a t u r e 由图可知，随着玻纤含量n 的增大，磨损量i 降低，但是摩擦系数f 与摩擦温度t 升高，尤其是当n 2 5 时，摩擦温度t 迅速升高。这说明此时摩擦性能急剧降低。因此 当玻纤含量n = 2 5 时，认为摩擦效果最佳。 图2 6 2 8 为钛合金含量n 与摩擦性能之间的关系。 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 o 0 40 60 8 r g 图2 6 钛合金含量n 与磨损量i 之间关系 f i g 2 6 r e l a t i o nb e t w e e nt ic o n t e n ta n da b r a s i o nv a l u e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 0 0 3 0 0 2 5 0 0 2 c h0 0 1 5 o o l 0 0 0 5 0 o n 图2 7 钛合金含量n 与摩擦系数f 2 间的关系 f i g 2 7 r e l a t i o nb e t w e e nt i t a n i u ma l l o yc o n t e n ta n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t p 裔 00 20 40 60 8 r d 图2 8 钛合金含量n 与试件摩擦温度t 之间关系 f i g 2 8 r e l a t i o nb e t w e e nt i t a n i u ma l l o yc o n t e n ta n df r i c t i o nt e m p e r a t u r e 由图知，随着钛合金含量n 的增大，摩擦系数f 以及摩擦温度t 均增大，磨损量i 先增大后稍有降低，但数值仍比不加入钛合金的数值要大。这说明随着钛合金含量的增 加，摩擦性能较不加入钛合金时变差。 但是，由于钛合金的加入，可以大大提高材料的耐热性，因此钛合金含量不能为0 综合考虑，选择钛合金含量为o 5 时耐热性好，且此时摩擦性能较佳。 图2 9 2 11 为石墨含量n 与摩擦性能之间的关系曲线。 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 2 5 o 0 2 - 0 0 1 5 o 0 1 0 0 0 5 0 00 5 1 522 533 54 “ 图2 9 石墨含量n 与磨损量i 之间关系 f i g 2 9 r e l a t i o nb e t w e e ng r a p h i t ec o n t e n ta n da b r a s i o nv a l u e 00 511 522 533 54 1 1 图2 1 0 石墨含量n 与摩擦系数f 之间的关系 f i g 2 1 0 r e l a t i o nb e t w e e n g r a p h i t ec o n t e n ta n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t 1 6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 p 、 卜 oo 5l1 522 533 5 4 n 图2 1 1 石墨含量n 与试件摩擦温度t 之间的关系 f i g 2 1l r e l a t i o nb e t w e e ng r a p h i t ec o n t e n ta n df r i c t i o nt e m p e r a t u r e 有图可知，随着石墨含量n 的增加，磨损量i 一直降低。但是摩擦系数f 与摩擦温 度t 在含量达到2 的时候有一极小值。综合考虑，当石墨含量在2 时，摩擦性能最佳。 图2 1 2 2 1 4 为m o s 2 含量n 与摩擦性能之间的关系。 0 0 0 7 0 0 0 6 o0 5l1 522 533 5 。 n 图2 1 2m o s 2 含量n 与磨损量i 之间的关系 f i g 2 1 2 r e l a t i o nb e t w e e nm o s 2c o n t e n ta n da b r a s i o nv a l u e 新型蜗轮材料研制及其摩擦学研究 o 0 2 - 0 0 1 5 0 0 l o0 51 5 2 2 5 3 3 5 4 n 图2 1 3m o s 2 含量n 与摩擦系数f 之间的关系 f i g 2 1 3 r e l a t i o nb e t w e e nm o s 2c o n t e n ta n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t 4 0 3 8 3 6 p ；3 4 3 2 3 0 0o 5l1 522 533 54 l l 图2 1 4m o s 2 含量n 与试件摩擦温度t 之间的关系 f i g 2 1 4 r e l a t i o nb e t w e e nm o s 2c o n t e n ta n df r i c t i o nt e m p e r a t u r e 由图可以看出，随着m o s 2 含量1 1 的增大，磨损量i 在n 之时有极小值，且比其 他含量时要小得多。而改变含量n ，摩擦系数几乎没有变化。摩擦温度稍有升高。因此 认为当m o s 2 含量n 取2 时摩擦效果最佳。 一1 8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 4g f r p a 6 与x w 材料最佳配比确定 综上所述，根据实验结果，确定了g f r p a 6 材料的最佳组分配比如下。 玻璃纤维：2 5 ： m o s 2 2 ： 石墨：2 ； 同样确定了x w 材料的最佳组分配比如下： 玻璃纤维：2 5 ； m o s 2 - 2 ： 钛合金：0 5 ； 石墨：2 。 2 2 5 各材料性能比较 图2 1 5 2 1 7 为采用最佳配比的x w 与g f r p a 6 ，以及锡青铜综合性能对比。其中 图2 1 5 为不同材料磨损量i 与摩擦时间t 的关系曲线。图2 1 6 为不同材料摩擦系数f 与 摩擦时间t 的关系曲线。图2 1 7 为不