非金属材料在某些机械传动中应用的优越性

肖泽民

（佛山市南华仪器股份有限公司，广东 佛山 528251）

0 前言

在工业生产的过程中，要用到的机械设备多种多样，而这些机械设备在性能方面存在差异，有些差异还比较大。但其构成系统是基本一样的，例如传动系统、原动力系统等。如果任何一个系统出问题，对机械设备的功能都会造成极大影响。在机械制造领域传动技术是极为重要的。机械传动和其他传动方式相比，效率高、更容易控制，并且有着较高的精确度，能较快反应，有一定的研究探索价值。

在机械传动设计中，传动零件的材料多为金属，在大型机械设备设计中有其优点，其刚性、强度以及制造加工工艺易得于实现。在国外，小型机械设备、精密仪器中的传动零件广泛采用了非金属材料，非金属材料的发展已经成为国民经济发展的重要支柱，其优点是密度小、强度高、加工简单、生产成本低、用途广泛以及生产效益显著，这是金属材料不能比拟的。笔者从中得到启发，在实际工作中采用非金属材料来设计传动零件，并且取得了很好的效果。在此仅列举一例来具体说明。

1 机械传动技术的发展

按照活动方式的不同，可以将机械转动分为摩擦、啮合传动2 种。在历史的发展过程中，机械传动技术历史悠久，早在古代就有了指南车这类基于机械传动原理的工具。其属于啮合传动方式，运用的系统是复杂型的齿轮传动。西方国家14 世纪就出现了非常精密的传动齿轮，并在这一技术的带动下得到了较大发展。蒸汽革命时代以后，机械传动技术高速发展，高质量的金属传动齿轮在这一阶段得到了运用，使传动机械朝着精密化方向发展。同时，还有一种啮合传动得到了发展，即链传动。这是在链条运行的基础上实现的，例如自行车，其传递效率高，传动功率不大，不会打滑，可适应各种恶劣的环境。但是，传动系统平稳性比较差，成本比较高，传动件容易出现磨损，而且会产生很大噪声[1]。

当前，电动机、内燃机对机械传动技术有了更高的需求，因此需要提升机械的设备性能，满足机械系统的传动需求。创新技术运用到了机械传动领域中，尤其是啮合传动逐渐在航空领域中得到运用，并不断对其动力进行深入研究。而实际上，现在这一技术仍在不断研究、发展的过程中，同时开始出现了太阳轮、齿式联轴器技术、高重合度齿轮优化技术等多种技术。当前的机械传动技术含量越来越高，正向着高度集成化、智能化、绿化、非金属化的方向发展。

2 非金属材料部件的性能分析

2.1 非金属材料部件的性能指标

非金属材料有别于金属材料，其结合键主要是共价键和分子键。非金属材料部件在设计初期应充分考虑其工作环境、部件受力情况、特殊性能要求及生产工艺性，选择材料规格，确定材料的性能指标，除此之外，还应考虑成本、法规等方面的要求。

非金属材料部件通常采用高分子材料，由于其分子量大，分子间的作用力可以满足相应的力学性能，在设计非金属材料部件时，应考虑部件失效的影响，建立材料的性能指标体系。非金属材料的特性主要有化学稳定性好、线性膨胀系数低、机械强度高、耐磨抗蠕变、摩擦噪声小、坚韧有弹性、绝缘性好、生产成本低、合成简单、工艺性良好。通用工程材料中的POM 常应用于齿轮、轴承等滑动和滚动机械部件中。

2.2 非金属材料部件安全系数选取原则

设计安全系数是部件的失效应力与设计应力的比值，是机械传动设计中衡量产品可靠性的重要指标。设计安全系数的主要影响因素有材料特性、部件复杂程度、使用寿命及可重复性等[2]。

金属材料通过应力-应变曲线可以得出明显的屈服极限，但大多数的非金属材料的应力-应变曲线没有明显的屈服极限，其失效应力为强度极限。设计非金属材料的许用应力时，应考虑部件的安全载荷和设计安全系数，根据经验，非金属材料的设计安全系数一般为2.0～5.0，并根据不同的工作环境和工艺方法选择相应的安全系数。

3 设计具体情况

3.1 设计要求

该文以微型手动式前照灯检测仪为例（如图1 所示），该传动机构的传动部分分为上下、左右传动2 个部分，旋转左右旋转手轮使光接收板沿左右方向移动，旋转上下旋转手轮使光接收板沿上下方向移动。由于该仪器是微型检测仪，要求操作简单可靠，且在使用中会受到光路系统尺寸的限制，应保证其传动系统的外形尺寸要小、结构简单，为避免因整体质量过重造成检测误差较大，该传动机构质量不易过重。

3.2 设计方案

在试制过程中，上下传动机构（如图1 所示）中的螺旋器原先采用锡青铜（QSn4-4-4），装配完成后发现操作极为困难，旋转手轮需要很大的力，光接收屏幕板不能保证匀速运动，容易超出极限位，屏幕板与螺旋器接触部位有严重的磨损现象，且运动过程中伴有金属之间摩擦的噪声。在各运动副面添加润滑脂仍无明显改善[3]。同样，在左右传动机构中，滑块材料原为灰铸铁（HT150），旋转手轮时不是很顺畅，明显感觉受到一定的阻力，降低传动机构的使用寿命，影响检测仪测量精度。经过初步分析，可能是由于螺旋器重量较重，加上其与光接收屏幕为线接触，使得整个上下传动系统的摩擦力很大，操作困难。左右传动中的滑块的内螺纹为矩形螺纹，发现其加工面较粗糙，如果要对传动表面的粗糙度进行加工，所需成本较高，且加工厂方现有设备及现有技术很难保证零件的设计符合要求。

3.3 设计更改方案

聚甲醛（POM）是一种高结晶的线性塑料聚合物，作为常用的工程材料其具有硬度高、抗拉伸、抗冲击强度好、弹性模量好、几何尺寸不变、使用温度范围广、较好的耐蠕动性等特点。聚甲醛（POM）的力学性能与金属材料接近，材料强度可达50 MPa，材料刚度可达2 600 MPa，抗冲击强度高且不受温度变化的影响。POM 的蠕变性强，在常温、20 MPa下作用3 000 h 仅为2.3%，加工样表面光滑，摩擦系数小，自润滑性好，工作噪声小[4]。基于以上优点，为解决原传动机构产生的问题，采用聚甲醛（POM）材料制成的样件。

将螺旋器的材料由原来的锡青铜（QSn4-4-4）改为聚甲醛（POM），更换材料后，在其与光接收屏幕的运动副面上涂上少许硅脂，旋转手轮，发现比以前轻松许多，光接收屏幕板也无磨损现象，也消除了噪声，经过一段时间的磨合，螺旋器与光接收屏幕板之间有原来的线接触改为面接触，减少了磨擦阻力。在左右传动中，滑块的材料也由原来的灰铸铁（HT150）改为聚甲醛（POM），由于其加工性比灰铸铁好，其加工面的质量得到明显提高，其本身具有良好的自润滑性能、耐磨性能，所以取消了原来的润滑零件。通过更改零件材料，使整个传动系统的操作性能得到很大提高。

4 结语

当前，现代工业的各个生产环节都无法离开机械设备，其也是当前生产的主要工具，而机械设备功能的实现是需要以传动系统作为支撑。机械传动技术的发展潜力比较大，随着高新技术在机械传动领域中的运用，未来机械将一步步向自动化控制、智能化控制的方向发展，其节能和环保效果也会更好。使用上文所述方法成功更改传动系统方案，大大降低了整台仪器的操作强度，仪器总重量也有所减轻，同时也降低了制造成本。因此，在轻载荷、无润滑或少润滑的条件下设计各种耐磨受力传动零件时，适当运用非金属耐磨材料，不仅可以带来诸多方便，而且也可取得良好的经济效益。

图1 上下传动机构