Полимерни зъбни предавки – част 1

Зъбните предавки, изработени от инженерни пластмаси, набират все по-широка популярност в различни технически приложения благодарение на някои функционални предимства на полимерните материали в сравнение с металите.

Такива са ниските нива на шум и корозионната устойчивост на пластмасовите предавателни механизми, които ги правят предпочитан вариант в редица индустрии като хранително-вкусовата промишленост, производството на медицинска техника и химическия отрасъл. Полимерните зъбни колела и предавки разполагат и с множество други експлоатационни и технологични преимущества както като готови изделия, така и по отношение на иновационния потенциал при производствените материали и процеси.

Специфики

Ключов фактор в преценката дали една пластмасова зъбна предавка е подходяща за дадена практическа употреба е работната среда. Пластмасите традиционно разполагат с по-малка пространствена стабилност в сравнение с металите, а здравината, твърдостта и устойчивостта им са силно зависими от температурата и други фактори на средата.

Влошаващи или променящи експлоатационните им характеристики условия са например излагането на влага или химикали, които могат да причинят издуване или свиване на материала в зависимост от химическия агент и полимерния материал.

Пластмасовите и металните зъбни предавателни механизми са подложени и на различни типове контакт при натоварване. Металните устройства обикновено имат линеен контакт при зацепване на зъбната двойка, с по един зъб в междузъбие наведнъж.

Пластмасовите зъбни колела обаче обикновено са ротационни елементи с еволвентен профил на повърхността, който може да се деформира при натоварване, разпределяйки контактното напрежение на по-голяма площ и позволявайки контакт между съседни зъби. Това прави възможно споделяне на натоварването между зъбите и позволява удължаване на експлоатационния цикъл на полимерните зъбни предавки в множество приложения, особено в такива с високи ударни и ниски непрекъснати натоварвания.

По-малкото тегло на пластмасовите зъбни колела и механизми означава, че те имат и по-малка инерция в сравнение с металните си аналози, което често е от съществена важност в космическата индустрия, отбранителния сектор и др. Повечето полимерни зъбни предавки могат да работят без смазване или да бъдат произведени с “вградени” намаляващи триенето материали (графит, силикон, тефлон и др.)

Налице са и технически приложения, в които мазането е задължително и/или до голяма степен улеснява действието на предавателния механизъм. Изборът на смазочен флуид е препоръчително да вземе предвид експлоатационните условия, планираните работна скорост и профил на натоварването. Ако се използва лубрикант, който не е съвместим с пластмасовия материал, може да се получат напуквания и други повреди по елементите на предавката.

Благодарение на основно плъзгащия контакт, който осъществяват, червячните предавки са подложени на голям топлинен стрес вследствие на покачване на работните температури на механизма при триенето, което може да увеличи износването при полимерните варианти и да компрометира здравината на елементите им. Ето защо пластмасовите червячни предавки обикновено са със специфични ограничения по отношение на работната скорост и се препоръчва смазване.

Характеристики на материалите

Разнообразието от пластмаси, които са подходящи за производство на зъбни колела и механизми, е голямо, като най-често използваните материали включват найлон, поликарбонат, полифенилен сулфид, полиуретан и ацетилови съединения.

Добавянето на стъклени влакна може да подобри твърдостта и топлопроводимостта на някои материали, въпреки че понякога крие риск от намаляване на износоустойчивостта им. С цел по-голяма здравина на зъбите и по-ниски производствени разходи в сравнение с механичната обработка пластмасовите зъбни колела и механизми често се изработват чрез шприцоване. Когато са налице по-високи стандарти за качество на изделието в специфични приложения обаче, машинната обработка остава предпочитан производствен метод.

В практиката ацеталите се използват по-често за производство на формовани зъбни предавки, а найлонът – за механично изработени изделия. Ацеталовите съединения са пространствено стабилни, устойчиви на широка гама химикали и не абсорбират влага. Необходимо е обаче непрекъснато смазване при високи натоварвания.

Найлонът е по-малко стабилен в пространствено отношение, а формата и размерите му могат да се изменят в зависимост от температурата и влажността. Предимство на найлона в производството на зъбни предавки е, че обикновено се самосмазва. Когато се използват ацетали, винаги съществува опасение, че суровината може да съдържа кухини, което не е проблем при употребата на гланцов (лят) найлон.

Много конструктори се въздържат от използването на пластмаси за изработка на дадени детайли от предавателни механизми поради по-ниската здравина на материала в сравнение с металите. Един от начините за повишаване здравината на найлоновите зъбни колела и детайли е при леенето на материала под формата на пръти да се добави някаква усилваща нишка, подобряваща якостта на натиск.

Предимства и недостатъци

Правилно подбраните полимерни материали осигуряват редица предимства на пластмасовите детайли за зъбни предавателни механизми в сравнение с металните. Такива са: намалената нужда от поддръжка; по-високата износоустойчивост при работа без смазване; по-безшумната работа; по-доброто поглъщане на шок и вибрации; корозионната устойчивост; по-ниската инерция вследствие на по-малката въртяща се маса; по-малкото тегло и плътност; по-ниският коефициент на триене; по-ниските производствени разходи; възможностите за самосмазване и др. Полиамидите са инженерни материали, които подлежат на модифициране с цел покриване в по-малка или по-голяма степен на някои от изброените характеристики.

Пластмасовите детайли за зъбни предавки могат да бъдат произвеждани чрез нарязване с червячна фреза, щамповане или в по-големи обеми – чрез инжекционно формоване.

Сред водещите приложения на пластмасовите зъбни механизми са системи в хранително-вкусовата промишленост, тъй като полимерните материали позволяват експлоатация във влажни и мокри среди, както и в контакт с хранителни продукти, като правят възможно покриването на стриктните хигиенни изисквания в този отрасъл.

Както при останалите материали, и при пластмасите са налице някои недостатъци по отношение на възможностите за използването им в производството на зъбни предавателни механизми. Те имат по-малък капацитет на натоварване в сравнение с метален аналог със сходни размери. В допълнение, формованите елементи не могат да поддържат толкова малки допуски, колкото металните зъбни детайли.

По-ниската пространствена стабилност на пластмасите в сравнение с метала често води и до вариации в пространствените характеристики поради промени в температурата и влажността. Друг недостатък във връзка с производствените разходи е вариращата цена на полимерните материали вследствие колебания в цените на базовите химикали в сравнение с тези на основните метали. Сериозен експлоатационен недостатък в някои приложения е трудността при сглобяване на пластмасови зъбни колела с метални валове.

При избор на материал за изработка на елементите на зъбна предавка за дадено приложение е препоръчително да се отчетат ограниченията по отношение на скоростта и натоварването на пластмасите. Металните зъбни колела и детайли обикновено могат да работят добре в рамките на целия температурен диапазон на дадения метал. Конструкцията на пластмасовите елементи обаче е добре да бъде съобразен с това, че с увеличаване на триенето, натиска и скоростта работната температура на предавката значително се повишава.

Статията продължава в следващ брой