汽车凸轮轴齿轮高分子材料选择与加工解读_汽车发动机凸轮轴加工

2020-02-27 其他范文下载本文

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汽车凸轮轴齿轮高分子材料选择与加工

作者 **

（单位湖北汽车工业学院）

摘要汽车材料的选择是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。本文旨在探索制作汽车凸轮轴齿轮更好的高分子材料，并说明汽车凸轮轴齿轮材料成型的过程和未来发展的前景。主要从使用性能、工艺性能、经济性、可靠性、环境影响方面，通过全面的具体的分析，合理地确定了制作汽车凸轮轴齿轮的相对更好的材料，最终塑料化后的凸轮轴齿轮以价格便宜、容易成型以及研究结果较为成熟等特点被确定为作为制作凸轮轴齿轮的高分子材料。另外对如何提高所选材料的性能，通过查阅大量资料，给出了具体的工艺流程。同时就汽车凸轮轴齿轮的未来前景方面，给出了较多的较为实际思路。最后给出如何在本国更好地发展给了几点建议。

英文摘要

Automobile materials selection and application is the foundation of mechanical design and manufacturing work of important link, affect the whole design proce from beginning to end.This article aims to explore the production of Car camshaft gears polymer materials and describes the Car camshaft gears material molding proce and the prospects for future development.Mainly from the use of performance, proce performance, economy, reliability, environmental impact, Plastic which is cheap, easy to shape and who's results more mature is determined for as production Car camshaft gears polymer materials through a comprehensive analysis, reasonably determine the relatively better materials for the production of Car camshaft gears.And the article gives the specific proce on how to improve the performance of the selected materials according to large amounts of data.The future prospects of the Car camshaft gears at the same time, more is more practical ideas.Finally, The article gives a few suggestions to better develop Plastic resin in the country.关键词

汽车凸轮轴齿轮；PF+GF；塑料化；高分子材料

1、背景介绍

传统的汽车零部件均为钢或其他金属材质，随着汽车工业的发展迫切需要新型材料来代替钢材，以减轻车身重量、节能，提高舒适和美观程度。近年来塑料工业的迅速发展为满足汽车工业的这种要求提供了可能，各种塑料功能件和内饰件不断被采用，其中作为汽车发动机周边用高分子材料中的凸轮轴齿轮塑料化在汽车内应用的最大领域。

凸轮轴正时齿轮的作用是保证发动机运转时的配气相位,使进、排气门的开启和关闭与活塞运动相一致，在正时齿轮上打有标记，在装配时与曲轴齿轮、凸轮轴齿轮的标记相对应。

曲轴正时齿轮传递动力到凸轮轴齿轮, 凸轮轴齿轮是一个双联齿轮, 其中一个较大的齿轮与曲轴正时齿轮啮合, 接受曲轴齿轮传动的动力带动凸轮运动, 实现柴油机进、排气过程的正时;另一较小齿轮与喷油泵齿轮啮合, 同时将动力传递到高压油泵系统, 通过喷油泵驱动机构带动高压油泵。

2、零件的工作条件、失效方式及性能要求

2.1工作条件、失效方式

齿轮在传递动力及改变速度的运动过程中, 啮合齿面之间既有滚动, 又有滑动, 而且齿根部还受到脉动或交变弯曲应力的作用, 其服役条件和失效形式有下面三种：

1、啮合齿面间的磨擦力及齿面磨损,失效形式为氧化磨损, 冷咬合磨损和热咬合磨损；

2、啮合齿面的接触应力及接触疲劳, 失效形式有表面麻点、浅层剥落及涂层剥落；

3、齿轮的弯曲应力及弯曲疲劳, 失效形式为弯曲疲劳破坏。

根据发动机功率及转速的不同, 齿轮工作状态及所受应力状态也不同, 因此,传动齿轮材料及表面强化方法的选用直接影响柴油机传动系统的寿命。

2.2性能要求总结：

凸轮轴齿轮的主要性能要求：

① 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。

② 足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。③ 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。

3、零件材料的初步（选择根据零件性能要求，海选，至少两种，但要说明选择的理由）

3.1使用传统金属材料制汽车凸轮轴齿轮

使用传统金属材料材料制作，如粉末冶金齿轮，具有生产工艺成熟，成本低，生产效率高、一次成型，成型后不需要再加工轮齿。齿轮成型过程中没有废料。如45钢、40Cr广泛用于机床齿轮。金属齿轮运行良好，温度和湿度变化时的尺寸稳定性好。

3.2使用高分子材料制汽车凸轮轴齿轮

相对于金属齿轮，塑料齿轮具有质量轻、工作噪音小、耐磨损、无须润滑、可以成型较复杂的形状、大批量生产成本低等优点。随着新材料的应用及制造技术的发展，塑料齿轮的精度越来越高，寿命也越来越长，并广泛应用于仪器、仪表、玩具、汽车、打印机等行业。

如酚醛塑料已经广泛应用于齿轮、耐酸泵、制动片、仪表外壳、雷达罩等。酚醛塑料的力学性能变化范围宽，耐热性、耐磨性、耐腐蚀性能好，有良好的绝缘性。可以使用酚醛树脂并选择合理的增强机制，来制造凸轮轴齿轮。且对于酚醛树脂，市场上有大量的公司供应，价格相对较低，且能基本满足汽车凸轮轴齿轮的性能，因此酚醛塑料可以作为候选材料之一。

4、候选材料的具体分析（分子结构，材料性能特点，类型（热固性或热塑性）4.1使用40Cr钢制汽车凸轮轴齿轮

40Cr（低淬透性合金调制钢）调质处理后具有良好的综合力学性能，该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。4.2 PF+GF高分子材料(玻纤增强酚醛塑料)4.2.1酚醛塑料

酚醛塑料俗称电木粉，是一种硬而脆的热固性塑料，以酚醛树脂为基体的塑料的总称，是最重要的热固性塑料的一类。一般可分为非层压酚醛塑料和层压酚醛塑料，非层压酚醛塑料又可分为铸塑酚醛塑料和压制酚醛塑料。功能酚醛树脂通常由酚类化合物和醛类化合物缩聚而成。酚醛树脂本身很脆，呈唬拍玻璃态，必须加人各种纤维或粉末状填料后才能获得具有一定性能要求的酚醛塑料。

酚醛塑料与一般热塑性塑料相比，刚性好，变形小，耐热耐磨，能在150-200℃的温度范围内长期使用，在水润滑条件下，有极低的摩擦系数。其电绝缘性能优良;缺点是质脆，冲击强度差。

酚醛塑料的机械强度高，坚韧耐磨，尺寸稳定，耐腐蚀，电绝缘性能优异。成型性能好，特别适用于压缩成型;模温对流动性影响较大，一般当温度超过160℃时流动性迅速下降;硬化速度一般比氨基塑料慢，硬化时放出大量热，厚壁大型制品易发生硬化不匀及过热现象。4.2.2玻纤的增强作用

对齿轮结构材料，应该考虑到纤维和填料对树脂材料性能的重要作用。例如当乙缩醛共聚物填充25%的短玻纤（2mm或更小）的填料后，它的拉伸强度在高温下增大2倍，硬度升3倍。使用长玻纤（10 mm或者更小）填料可提高强度、抗蠕变能力、尺寸稳定性、韧性、硬度、磨损性能等以及其它的更多性能。因为可获得需要的硬度、良好的可控热膨胀性能，在大尺寸齿轮和结构应用领域，长玻纤增强材料正成为一种具有吸引力的备选材料。

玻纤增强塑料的原理主要是由于玻纤树脂界面上连接必然是使作用到模塑件上的力传导到玻纤上，因此玻纤的长度被充分利用，起到树脂增强的目的。因此在这里，我们可以使用长玻纤增强机制，来改善酚醛树脂的力学性能，使其更适用于制造凸轮轴齿轮。

5、候选材料成形或加工方法的选择（说明选择的依据，现在已经使用的材料还是替代材料，你选择的成形或加工方法，可能存在的问题；如果选用零件加工需要连接，说明具体的连接方法、连接的原理）5.1.1使用40Cr的成形法——粉末冶金工艺的基本工序

1、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。

2、粉末成型为所需形状的坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。

3、坯块的烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。

4、产品的后序处理。烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。5.1.2粉末冶金齿轮主要加工工序

凸轮轴齿轮的表面强化主要采用化学热处理，目前，生产中广泛采用的化学热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗。

模锻、正火高温回火→调质→粗加工端面→稳定回火→车外形、粗精加工内孔→滚齿、钻铰定位孔→粗插齿→人工时效→剃大端面、精插小端齿→碳氮共渗→抛光内孔及两端面。

5.2 PF+GF高分子材料（玻纤增强酚醛树脂）

齿轮的加工必须确保每一次成型的腔内成型温度和冷却速率相同。精密齿轮加工中最常见的问题是如何处理齿轮对称性冷却以及各模腔间一致性的问题。

精密齿轮的模具一般不超过4个型腔。由于第一代的模具只生产一个齿轮，很少有具体的说明，轮齿嵌入物经常用来减少二次切削的成本。

精密齿轮应该从齿轮中心位置的一个浇口处注入。多浇口易形成熔合线，改变压力分布和收缩，影响齿轮公差。对于玻纤增强的材料，由于纤维沿着焊接线成放射状排列，使用多浇口时易造成半径的偏心的“碰撞”。

要控制好齿槽处的变形，获得可控的、一致性的、均匀的收缩能力的产品是以良好的设备、成型设计、所用的材料伸展能力以及加工条件为前提的。在成型时，要求精密控制成型表面的温度、注射压力和冷却过程。其它的重要因素还包括壁厚、浇口尺寸和位置、填料类型、用量和方向、流速和成型内应力。

6、零件材料的确定

与金属成型相比，塑料成型的固有的设计自由度保证了更高效的齿轮制造。可以用塑料成型内齿轮、齿轮组、涡轮等产品，而这是难以一个合理的价格使用金属材料来成型。塑料齿轮应用领域比金属齿轮宽，因此它们推动了齿轮朝着承受更高负荷、传送更大动力的方向发展。

塑料制造的齿轮一般不需要二次加工，所以相对于冲压件和机造件金属齿轮，在成本上保证了50%到90%水平的降低。

由于塑料齿轮成型上的优势以及可以成型高精度和高强度的特征且PF+GF树脂在市场上生产厂家较多，价格相对便宜，工艺也相对成熟。

综上所述，选择PF+GF树脂作为生产汽车凸轮轴齿轮的主要材料。

7、提高所选材料性能的途径（提高性能的原理和工艺）

酚醛塑料的主要缺点是性脆、耐电弧性差，介电性能随频率的变化而改变等缺点，所以在生产的应用中，则采用改性的方法来弥补酚醛树脂的不足。采用酚醛树脂（主要是热塑性的）和其他类型高聚物混合应用可以改善酚醛塑料的性能。常用的高聚化合物有：聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、丁腈橡胶、聚丙烯树脂等。例如与聚氯乙烯混合后能使其机械强度、耐热性、介电性、耐酸性、耐水性等方面获得提高，且有较好的着色性。以酚醛树脂和丁腈橡胶为基础制成的电木粉可以大大提高制件的冲击强度。以酚醛树脂与聚酰胺树脂和无机填料（如云母与长石）的混合物所制造的电木粉具有更高的介电性能，其制件能够在高温度、高频率、高压的条件下使用。

热处理会提高固化树脂的玻璃化温度，可以进一步改善树脂的各项性能。玻璃化温度与结晶固体如聚丙烯的熔化状态相似。酚醛树脂最初的玻璃化温度与在最初固化阶段所用的固化温度有关。热处理过程可以提高交联树脂的流动性促使反应进一步发生，同时也可以除去残留的挥发酚，降低收缩、增强尺寸稳定性、硬度和高温强度。同时，树脂也趋向于收缩和变脆。树脂后处理升温曲线将取决于树脂最初的固化条件和树脂系统。

8、汽车凸轮轴齿轮材料的未来发展动向 8.1粉末冶金的发展动向

粉末锻造技术，1968年首先在美国出现。由于粉末锻造机械零件具有材料利用率高，力学性能好，锻造尺寸精度高和质量准确，大规模投产可以显著降低制造成本等优点，在许多的国家掀起开发粉末锻造零件，材料与工业生产技术的热潮。

粉末锻造技术与粉末锻造零件，不断发展完善与推进产业化，并经各国汽车实际使用结果表明，粉末锻造零件的可靠性高，技术经济效益显著。

我国汽车工业现已处于高速发展时期，现在上海的粉末冶金行业还不能适应上海汽车工业年产100万辆轿车和发展燃料电池动力电动车与混合动力电动车的发展形势。粉末冶金行业必须抓紧时机，组织力量对一批关键技术进行攻关，并相应对一批企业进行技术改造，改组，改制成为现代化的粉末冶金行业。

粉末冶金协会，粉末冶金材料和粉末烧结零件生产厂以及粉末冶金科研单位，应密切关注汽车工业发展趋势，针对市场的需求，抓住机遇，加快发展，把企业规模，素质与产品质量以及粉末冶金技术，提高一步。

综述，发展粉末冶金新技术，对于汽车工业的发展具有重大的技术经济意义，他们在汽车上有着非常广的应用前景，并带动其他领域范围的开发应用，可以形成新的粉末冶金材料制品的产业。

8.2齿轮塑料化的发展动向

与金属材料相比,塑料在成本、设计、加工和性能上具有很多优势。塑料成型设计的自由度保证了更高效的齿轮制造,可以用塑料成型内齿轮、齿轮组、蜗轮等产品,而这些产品很难以一个合理的价格使用金属材料来成型。

塑料制造的齿轮一般不需要二次加工,且相对于冲压、机造金属齿轮在成本上可降低50%～90%。塑料齿轮还比金属齿轮轻、惰性好,可用在金属齿轮易腐蚀、退化的环境中,例如水表和化学设备的控制。

和金属齿轮相比,塑料齿轮可以通过偏转变形来吸收冲击载荷的作用,能较好地分散轴偏斜和错齿造成的局部负荷变化。许多塑料固有的润滑特征使其成为打印机、玩具和其它低负荷运转机构齿轮的理想材料。塑料齿轮除了在干燥的环境中运行外,还可用油脂或油来润滑。

塑料齿轮的应用领域比金属齿轮宽,它们推动了齿轮朝着承受更高负荷、传送更大动力的方向发展。

8.2.1 工艺的先进性和材料的多样性许多先进的塑料齿轮成型方法正在不断被开发出来。例如采用二次注射成型法,通过在轮轴和轮齿之间设计一个弹性体可使齿轮运行起来更安静,在齿轮突然停止运转时能够较好地吸收振动,避免轮齿损坏。轮轴可以被重新模塑上柔韧性更好或价值更高、自润滑效果更好的复合材料。采用气辅法和注射压制模塑法成型可以改善轮齿质量,提高齿轮整体精度,减小内应力。在提高齿轮精度方面,采用控制成型精度、注塑压力及其它变量,甚至在型腔内设置温度和压力传感器可以提高成型的一致性和重复性。在材料方面,可采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚酰胺(PA)等,尤其是UHMWPE,其耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性、自润滑性、吸收冲击能等性能是现有塑料中最好的,在国际上被称为“令人惊异的材料”。加之纤维和填料对树脂材料的重要作用,给塑料齿轮提供了更多的选择机会。

总之,塑料齿轮正朝着更大的尺寸、更复杂的几何形状、更高强度的方向发展,同时高性能树脂和长玻纤填充的复合材料起着重要的推动作用。

9、结论

目前，玻纤增强塑料的发展是高分子材料技术发展的主要方向之一，在制造工艺上日趋成熟，材料性能不断提高，用途将进一步扩展。它表现出很大的发展潜力，具有良好的力学性能，新的工艺使玻璃纤维的长度提高，工艺成本降低。所以，玻璃纤维增强塑料日后将更广泛应用于汽车各零件的制造。References（1）赵文元，王亦军.功能高分子材料（M）北京：化学工业出版社，2008：275（2）张留成，瞿雄伟.高分子材料基础（M）北京：化学工业出版社，2007：140（3）沈莲.机械工程材料（M）北京：机械工业出版社，2012：200（4）陈厚.高分子材料分析测试及研究方法（M）化学工业出版社，2011:196（5）杨平.材料科学名人典故与经典文献（M）高等教育出版社，2012：91（6）徐坚，瞿金平.高分子材料与工程（M）北京：科学出版社，2008:188（7）曾正明.机械工程材料手册（M）北京：机械工业出版社，2004：127

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

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