塑料齿轮的蠕变设计.docx
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塑料齿轮的蠕变设计
塑料齿轮的蠕变设计是一个非常困难的工作,它涉及到材料学中材料的蠕变性能(难测定)和塑料齿轮的应力值计算(没有准确的模型进行计算),因此,往往在设计的过程中非常被动,常常要等样品试验以后才能估计蠕变性能的好坏。
本日志试图综合各个方面的信息,对齿轮蠕变进行分析。
我预计可以在十到十五个日志内可以把内容阐述清楚。
下面准备的几个主题是:
1)蠕变的定义及其相关
2)塑料蠕变的相关公式
3)典型材料的蠕变曲线
4)典型应用的蠕变计算方法
5)哪些塑料齿轮需要进行蠕变设计
6)塑料齿轮蠕变设计的要点
7)蠕变的测试方法
8)蠕变的快速测试及其测试理论
9)其它。
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(一)蠕变的定义:
蠕变指的是固体材料在保持应力不变的情况下,应变随时间缓慢增长的现象。
金属、高分子材料和岩石等在一定条件下都具有蠕变性质。
蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关,而且与该瞬时以前的变形过程有关。
瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成3个阶段:
∙第一阶段是衰减蠕变,应变率(应变的时间变化率)随时间增加而逐渐减小;
∙第二阶段是定常蠕变,应变率近似为常值;
∙第三阶段是加速蠕变,应变率随时间逐渐增加,最后导致蠕变断裂。
同一材料在不同的应力水平或不同温度下,可处在不同的蠕变阶段。
通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。
不同材料的蠕变微观机制不同。
蠕变机制有扩散和滑移两种。
在外力作用下,质点穿过晶体内部空穴扩散而产生的蠕变称为纳巴罗-赫林蠕变;质点沿晶体边界扩散而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。
由晶内滑移或者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变,也称魏特曼蠕变。
引起多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等;而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。
研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。
(二)松弛
松弛与蠕变的区别在于:
在蠕变中,应力是常数,应变是随时间变化的可变量;而在松弛中,应变是常数,应力是随时间变化的可变量。
塑料之所以产生这两种现象,是由于它是既具有弹性又具有塑性的黏弹性材料。
(三)蠕变激活能
对铬钼和铬钼钒低合金钢主蒸汽管运行中蠕变激活能和相应的持久强度的变化动态进行研究.结果表明,主蒸汽管金属的蠕变激活能和持久强度都随运行时间增加呈下降趋势,两者在变化程度上存在较明显的对应关系.蠕变激活能的数值大小可反映出主蒸汽管在使用寿命过程中所处的阶段,对部分主蒸汽管应用蠕变激活能等蠕变参量得出的蠕变速率推算的剩余使用寿命期限与其它传统方法得出的寿命分析结果一致.
(四)蠕变疲劳有何特征?
蠕变断裂断口的宏观特征:
1、断口附近产生塑性变形,在变形区域附近有很多裂纹,使断裂机件表面出现龟裂现象;
2、又于高温氧化,断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。
(五)蠕变测试的相关标准
(1)GB11546-89;塑料拉伸蠕变测定方法。
(2)ISO899-1-2003 塑料.蠕变性能的测定.第1部分:
拉伸蠕变。
(3)ISO899-2-2003 塑料.蠕变性能的测定.第2部分:
用三点负载测定挠曲蠕变
1.基于蠕变考虑的变形量计算
在工程设计和计算中,有时需要求出在某个部分施加一定负荷时所产生的变形量,有时则需要求出为产生一定的变形量而需要的负荷。
在这种情况下,虽说基本的物性都是弹性模量,但由于塑料与金属不同,因此在用塑料的弹性模量进行计算时需要注意下列几点:
1)温度依存性
即使在实用温度范围内,弹性模量也会随温度变化。
2)时间依存性
负荷时间持续很长时会出现蠕变现象,因此应使用蠕变弹性模量。
3)应力依存性
严格而言,塑料的应力-应变关系中通常几乎没有虎克定律成立的部分(即正比例的区域)。
因此,各应力水平上的弹性模量便是正割弹性模量(Es),该值甚至小于初始弹性模量(Eo)。
虽然这里的目的是为了结合这些条件来推算出DURACON部件的变形量,但基本思路则是在一定的低应力水平下首先求出基于温度及时间依存性考虑的表观弹性模量,进而根据应力水平来不断修正该表观弹性模量。
一般来讲,塑料的低温抗蠕变能力比高温时塑料的抗蠕变能力要强,而且,蠕变所需的时间比较长,一般的设计都是以十年为限,如果按照正常的测试,一次至少需要十年,那么产品的开发周期就被被严重的耽搁。
因此,在一般的测试中,都是以材料的高温情况下的抗蠕变能力来预测正常使用时的产品抗蠕变能力。
下面给出最常用的POM-delrin100的材料在一定温度下的蠕变曲线:
(1)材料在23°C下的蠕变曲线如右图所示:
从右图中可以看出,材料在变形较小的情况下,具有很高的抗蠕变强度。
也就是说,在常温下,delrin100具有优异的抗蠕变的能力,这对于结构件的设计非常重要,因此,delrin100是齿轮设计中性能非常优异的材料。
(2)delrin100在80°C的蠕变曲线如下图所示:
从左图可以看出,在80°C下,15Mpa以下,材料的蠕变是比较稳定的,当超过15Mpa时,材料的蠕变强度随变形的增加的趋势减缓。
因此,杜邦的材料工程师给我们的建议(POM的使用温度是零下四十摄氏度到八十摄氏度之间)是有很高的可信度的。
(3)delrin100在90°C的蠕变曲线如下图所示:
从右图中可以看出,材料在90摄氏度的时候,材料的曲线发生了很大的变化,当材料的应力超过大约18Mpa的时候,材料在1000个小时的时候会发生断裂。
在20Mpa的时候,100个小时左右就会发生断裂。
不幸的是,我们的很多测试,都是要求材料在90°时候的性能数据,因此,蠕变设计变得非常的敏感,任何的小的疏忽,都会导致蠕变设计的失效。
尼龙PA46的蠕变曲线:
(1)PA46在常温下的蠕变曲线
尼龙在常温下的耐蠕变性能要低于POM。
(1)PA46在100°C下的蠕变曲线
尼龙46在100摄氏度下,材料的抗蠕变的能力要比delrin100强60%以上。
(3)PA46在140°C和160°C下的蠕变曲线:
很少要用到,所以不做详细研究。
塑料齿轮的蠕变设计(四)----典型的蠕变计算实例
标签:
塑料 齿轮 蠕变 分类:
塑料齿轮设计2008-03-3012:
48
用金属弹簧以196.1N的力持续拉伸直径3.4mm的DURACON棒。
请就棒的断裂时间对DURACON的不同等级进行比较。
假定空气中的气氛温度为恒定的60℃。
解答
棒中产生的拉伸应力
s=4*p/(PI*d^2)
其中
S=拉伸应力MPa
P=负荷N
d=棒的直径mm
s=4*196.1/(3.14*3.4*3.4)
在图2-6中,S=21.6MPa所对应的M270的K为
K=7890
根据(18)式,
7890=(273+60)(21+logt)
∴logt=2.6937
∴t=494h
类似地,对于其他等级,计算并整理后得出下表:
等级
K
t(h)
M270
7890
494
M90
9525
4014
M25
14800
27826
GC-25
8225
50084
由此可见,不同等级的蠕变断裂时间存在很大差别,因此在等级测量时应充分考虑这一点。
此外还应注意,如果在图2-6中没有尽可能准确地读取K,则断裂时间也会出现相当大的差异。
例题2
如果用DURACONM90来制作常用水压0.39MPa、最大外径30mm、耐用年数5年的压力容器,请问壁厚多少为好?
解答
根据图2-5,假定与常温(27℃)、5年(约44,000小时)相对应的断裂圆周应力约为15.7MPa,且安全系数为2,则设计应力S为……
S=15.7/2=7.85MPa
作为薄壁圆筒,此时可按下式来计算:
t=p*D/(2*S)
其中
t=壁厚mm
D=外径mm
S=圆周应力MPa
p=内压MPa
于是
t=0.39*30/(2*7.85)
也就是说,将最小壁厚设为0.75mm为宜。
例题3
请推算DURACONM90管子在常用气压0.98MPa、内径35mm、壁厚2.5mm、环境温度90℃条件下的平均寿命。
解答
由于超出了实测范围,因此采用(18)式。
首先由(19)式可知
s=pD/(2*t)
由图2-6可知,与S=7.84MPa相对应的K为
K=10526
由(18)式可知
10526=(273+90)(25+logt)
∴logt={10526-(363×25)}/363=3.997
∴t=9,937h?
P1年2个月
在图2-2中,在80℃和100℃的线的中间引一条90℃的线,并求出该线与S=7.8MPa的线的交叉点。
此时可以发现寿命约为10,000小时,并且非常一致。
换言之,即使在实测范围以外也不必每次都要计算,其实使用图2-1~图2-5也就可以了。
塑料的蠕变失效是塑料失效的一个非常典型的失效形式,它比较难测试,难预测,而且在短期内不能观察到它的这种失效破坏所带来的影响,因此很难会在设计过程中引起重视。
哪些塑料齿轮需要进行特别的塑料设计呢?
1)汽车类的,特别是受到长期载荷作用的,譬如电动车窗的齿轮。
2)塑料齿轮中含有金属嵌件的,塑料在长时间使用后,塑料会老化,变形,导致塑料与金属嵌件的结合不再紧密,不能传递额定的扭矩,所以要进行蠕变的设计。
塑料齿轮如果需要内有金属嵌件的,需要对该塑料齿轮与金属嵌件部分进行蠕变的设计。
一般来讲,塑料的层的厚度要不超过3mm,在这个前提下,越厚,耐蠕变的能力越强。
下面是一个Duracon的测试数据:
国际标准:
标准号:
ASTMD6112-97
中文标题:
塑性塑料管材蠕变比率的实验方法塑料板材和型材压缩、扰曲蠕变和蠕变断裂的标准试验方法
英文标题:
StandardTestMethodsforCompressiveandFlexuralcreepandCreep-RuptureofPlasticLumberandShapes
国家标准:
标准性质:
推荐性
发文单位:
国家质量监督检验检疫总局
标准号:
GB/T18042-2000
中文标题:
热塑性塑料管材蠕变比率的实验方法
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- 塑料 齿轮 设计
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