澆口對玻纖增強(qiáng)塑料齒輪精度及力學(xué)性能的影響

沈亞強(qiáng)，張 楊，趙 凱，辛 棟，曹 偉

（1.深圳市兆威機(jī)電股份有限公司，廣東 深圳 518105；2.鄭州大學(xué) 橡塑模具國家工程研究中心，河南 鄭州 450002）

0 引 言

玻纖增強(qiáng)塑料齒輪與非填充塑料齒輪相比，具有耐高溫、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車渦輪增壓節(jié)氣門調(diào)節(jié)器、電子駐車齒輪箱和電動(dòng)助力剎車系統(tǒng)等領(lǐng)域[1,2]。采用常規(guī)3點(diǎn)進(jìn)料方案的玻纖增強(qiáng)塑料齒輪存在嚙合精度低和各輪齒之間強(qiáng)度差異大的問題，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)噪音大、使用壽命短，限制了玻纖增強(qiáng)塑料齒輪的推廣使用[3]。

現(xiàn)以某玻纖增強(qiáng)塑料為例，對采用3點(diǎn)進(jìn)料玻纖增強(qiáng)塑料齒輪的齒形精度及力學(xué)性能進(jìn)行測試，結(jié)合MoldFlow模擬仿真結(jié)果分析了齒輪嚙合精度低、齒輪強(qiáng)度一致性差的原因，提出采用中心進(jìn)料的設(shè)計(jì)方案解決玻纖取向不均勻的問題，結(jié)果證明該方法有效可行。

1 3點(diǎn)進(jìn)料方案及成型問題

研究對象為某玻纖增強(qiáng)塑料雙聯(lián)齒輪中的大齒輪，材料為PA66 Leona 1300G（玻纖含量33%），其模數(shù)為0.7 mm，壓力角為20°，齒數(shù)為63，齒形精度要求為JGMA 4級，初始模具澆口設(shè)計(jì)方案采用3個(gè)均布的點(diǎn)澆口進(jìn)料，如圖1所示。

圖1 3點(diǎn)進(jìn)料方案

基于3點(diǎn)進(jìn)料方案進(jìn)行模具制作和注射成型，使用雙面嚙合儀對做好標(biāo)記的澆口附近的輪齒進(jìn)行嚙合精度檢測，其測量結(jié)果如圖2所示，其單齒嚙合誤差為24.9 μm，精度為4 JGMA-S級，全齒嚙合誤差為80.1 μm，精度為5 JGMA-S級，且發(fā)現(xiàn)嚙合曲線呈現(xiàn)3個(gè)波峰和波谷，波谷在澆口位置，而波峰在2個(gè)澆口之間。

圖2 3點(diǎn)進(jìn)料雙面嚙合測量結(jié)果

采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行齒輪抗彎強(qiáng)度測試，試驗(yàn)溫度為25℃，壓縮速度為5 mm/min，試驗(yàn)機(jī)如圖3所示，齒輪受壓的行程-載荷曲線如圖4所示，取測試過程中的最大值作為齒輪斷裂力，從做好標(biāo)記的澆口開始按順時(shí)針方向依次測量每個(gè)齒輪的抗彎強(qiáng)度，并分別記錄各個(gè)齒輪的斷裂力值，如圖5所示。從圖5可以看出，各齒輪的抗彎強(qiáng)度差異較大，澆口與結(jié)合線位置齒輪的抗彎強(qiáng)度較低，且隨澆口位置呈現(xiàn)周期性變化，齒輪抗彎強(qiáng)度的平均值為691 N，最大值和最小值的偏差為164 N。

圖3 齒輪抗彎強(qiáng)度測試

圖4 行程-載荷曲線

圖5 3點(diǎn)進(jìn)料齒輪抗彎強(qiáng)度測量結(jié)果

2 原因分析

為了分析3點(diǎn)進(jìn)料方案影響齒形精度和齒輪強(qiáng)度的原因，采用MoldFlow軟件對注射成型過程進(jìn)行模擬分析。翹曲變形分析結(jié)果如圖6所示，從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模流分析的翹曲變形結(jié)果與實(shí)際結(jié)果趨勢一致，澆口附近的翹曲變形值與結(jié)合線附近存在較大差異。進(jìn)一步分析造成收縮不均的成形機(jī)理，對玻纖取向結(jié)果進(jìn)行分析，如圖7所示，從圖7可以看出，玻纖在澆口處和結(jié)合線處的取向存在較大差異，呈現(xiàn)以澆口為中心向外圍的輻射狀分布形式，造成澆口處收縮率較大，而結(jié)合線處的玻纖排布較紊亂，因而收縮率較小。

圖6 3點(diǎn)進(jìn)料齒頂圓翹曲變形結(jié)果

圖7 3點(diǎn)進(jìn)料玻纖取向結(jié)果

玻纖排布也會(huì)對齒輪抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響，不同位置處齒輪上的玻纖取向張量分析結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，在澆口處和結(jié)合線處齒輪上的玻纖取向較為接近，其對應(yīng)齒輪抗彎強(qiáng)度偏低，澆口與結(jié)合線之間位置處的齒輪玻纖取向與其差異較大，其對應(yīng)齒輪抗彎強(qiáng)度較高，具體玻纖排列方向?qū)X輪抗彎強(qiáng)度的影響還有待研究。

圖8 3點(diǎn)進(jìn)料不同位置處齒輪上的玻纖取向張量分析結(jié)果

3 方案改善

實(shí)踐證明，通過調(diào)整注射工藝的方法無法解決因玻纖取向不均勻而導(dǎo)致的齒輪嚙合精度和齒輪強(qiáng)度不一致的問題，改變澆口設(shè)計(jì)方案可能有效。為了提高玻纖取向的均勻性，提出中心進(jìn)料的設(shè)計(jì)方案，如圖9所示。

圖9 中心進(jìn)料設(shè)計(jì)方案

為了驗(yàn)證該方案的有效性，再次采用MoldFlow軟件對中心進(jìn)料的成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬。翹曲變形分析結(jié)果如圖10所示，從分析結(jié)果可以看出，采用中心進(jìn)料的齒輪翹曲變形的均勻性較3點(diǎn)進(jìn)料有較大的改善。進(jìn)一步對玻纖取向結(jié)果進(jìn)行分析，如圖11所示，從圖11可以看出，玻纖均以澆口為中心沿齒輪徑向均勻排布，因而收縮均勻，同時(shí)由于玻纖取向一致性較好，預(yù)測各個(gè)齒輪抗彎強(qiáng)度一致性也較好。

圖10 中心進(jìn)料翹曲變形結(jié)果

圖11 中心進(jìn)料玻纖取向結(jié)果

4 結(jié)果驗(yàn)證

基于中心進(jìn)料方案進(jìn)行模具制作和注射成型，使用雙面嚙合儀進(jìn)行嚙合精度檢測，其測量結(jié)果如圖12所示，從圖12可知，嚙合精度得到了較大的改善，單齒嚙合誤差為9.2 μm，精度為2 JGMA-S級，全齒嚙合誤差為34.5 μm，精度為2 JGMA-S級，與3點(diǎn)進(jìn)料方案相比，齒形精度得到較大的提高。

圖12 中心進(jìn)料方案雙面嚙合測量結(jié)果

進(jìn)行齒輪抗彎強(qiáng)度測試，其測試結(jié)果如圖13所示，從圖13可以看出，齒輪抗彎強(qiáng)度的平均值達(dá)到737 N，最大值和最小值的偏差為98 N，與3點(diǎn)進(jìn)料方案相比，齒輪抗彎強(qiáng)度和一致性均得到較大的改善。

圖13 中心進(jìn)料齒輪抗彎強(qiáng)度測量結(jié)果

5 結(jié)束語

通過對采用3點(diǎn)進(jìn)料的玻纖增強(qiáng)塑料齒輪的齒形精度及力學(xué)性能進(jìn)行測試，分析因玻纖取向不均勻而導(dǎo)致齒輪嚙合精度低、齒輪強(qiáng)度一致性差的原因。針對此問題，提出采用中心進(jìn)料的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了玻纖的均勻排列。