POM塑料齿轮无声降噪技术

工程塑料广泛应用于AV设备、OA设备、家电设备、汽车部件、精密机械部件、玩具、文具等产品的齿轮、轴承、凸轮、门滑轮、滚轴等机构部件中。大部分工程塑料为具有高耐摩耗性及抗疲劳性的结晶性树脂，这其中，POM（聚甲醛）占了绝大多数。在OA设备及汽车部件的规格温度60～80℃下，1) POM的强度和刚度均高于PA（聚酰胺）及PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）等同一价格区的工程塑料，因此在非增强的情况也可以使用。非增强材料可使部件具有更杰出的低磨耗性及更高的精度，称得上是机构部件的理想材料。

 

宝理塑料虽是一家材料供应商，但自创立以来，就不断在为客户提出不仅包含材料，还包含设计技术在内的综合解决方案，使“DURACON®POM”在日本POM树脂市场一直保持60%以上的高市场份额。

 

本文主题塑料齿轮的设计技术支持亦属于其中之一。说到设计技术，很多人可能会认为这并不属于材料供应商的业务范围，但工程塑料专家宝理塑料的设计技术提案，的的确确为各领域的产品带来了显著的品质提升。

 

例如，在20世纪末日本VTR（磁带录像机）开发的鼎盛时期，如何实现塑料齿轮的降噪，是各家电制造商面临的重要的研究课题。塑料齿轮降噪的实现，要求必须能够灵活掌控金属所不具备的塑料特有的性能。令我们感到自豪的是，宝理集团的塑料齿轮设计技术支持，为那个时代的塑料齿轮降噪做出了巨大贡献。现在，这些技术得到进一步发展，不止步于VTR等家电产品，而是在所有领域中都得到广泛应用。

 

接下来，本文将对宝理塑料的塑料齿轮降噪技术做简单的介绍。

 

虽然频率分析并不能呈现出齿轮噪音的所有原因，但作为探究噪音产生原因的最基本信息来源，进行频率分析的重要性不言而喻。图1所示的是，使两块POM齿轮（非增强一般POM共聚物）啮合驱动时所发生的噪音频谱。本实验情况下，齿轮噪音由该图中所示的3种声音构成。B、C代表设备及塑料齿轮主体的固有振动频率，一般都是等级较低的噪音。这里要注意的是A部分，一般称它为“啮合频率（Gear mesh frequency）”。其特征是，出现的频率相当于1秒钟内轮齿啮合的次数或其整数倍。在大多数情况下，"啮合频率"占据噪音的大部分，因此，弄清其发生原因就显得尤为重要。

 

图1：POM齿轮的频率分析结果 

 

塑料齿轮啮合频率的常见原因可列举以下三个：

 ① 啮合齿对数量的反复变化

 ② 节点处摩擦力矢量的逆转

 ③ 与对方齿轮节距的相容性

其中，①为包含金属齿轮在内的一般性理论；②、③为塑料所特有的原因。下面将对各原因及相应对策做简要论述。

 

 3-① 啮合齿对数量的反复变化

齿轮中有一个参数叫作啮合系数（Contact Ratio），标准正齿轮（Spur gear）的该参数介于1和2之间。该情况如图2所示，旋转时反复交替形成单齿啮合和双齿啮合。扭矩分别作用在1对齿轮上和作用在2对齿轮上时，轮齿的变形量是不同的，因此，如图3所示，变形将随着轮齿的每一次单齿啮合呈现周期性变化，这就是“啮合频率”产生的原因。提高材料的刚度是一种对策，但由于通常采用玻璃纤维对塑料进行强化，收缩率的异向性会降低精度以及增大表面粗糙度，从而加大噪音。因此，在大多数情况下，该对策只会带来适得其反的效果。与之相反，也有使用极其柔软的树脂促进变形并保持双齿啮合状态的方法，但这在强度上受到了限制。因此一般采用使啮合系数达到2以上、2对轮齿和3对轮齿交替啮合的设计。具体有斜齿轮（Helical gear）或高齿齿轮（High-tooth gear）等方法，可参阅一般的齿轮专业书籍。

 

   

图2：啮合齿对变化模型                                      图3：变形所引起的旋转角度的变化

 

齿轮的扭矩朝齿面垂直方向传输。该力的传输方向一般称为法线（Normal line），理想状态是伴随齿轮旋转的力的传输方向保持不变。但实际情况是，由于受到轮齿滑动摩擦的影响，力的传输方向在不断变化。轮齿间的接触为曲面接触，看似在滚动，但实际上轮齿会在开始啮合时朝向直径方向“靠近”，之后沿直径方向“远离”而结束啮合，该过程中伴随着相对滑动。在这一从“靠近”到“远离”的变化瞬间，滑动摩擦方向会发生逆转。因此，与法线间的关系如图4所示，法线与摩擦矢量的合力方向会随着每一对轮齿的啮合发生瞬时变化。该情况下，可通过减小摩擦力来抑制与法向力的合力的变化，因此采用低摩擦系数材料，可降低噪音的发生。DURACON M90-44是日本塑料齿轮中使用最多的等级，而专为齿轮所开发的DURACON NW-02则具有非常显著的改善齿轮噪音效果（图5），尤其广泛应用于注重降噪的复印机、激光打印机、喷墨打印机等产品中，拥有约20年的实际业绩。DURACON LW-02是在此基础上进一步改进的材料，如图5所示，其相对于DURACON M90-44具有超过10dB的降噪效果。

 

 

图4：齿轮的受力图

 

5：齿轮噪音数据

 

如果能准确预测成型加工时注塑成型齿轮的收缩量，则最为理想，但几乎没有齿轮可以得到完美预测。在实际情况中，与收缩量很小的金属齿轮不同，塑料齿轮啮合时的重要参数法向节距（Normal pitch）往往无法满足设计预期。如图6所示，作为齿轮准确啮合的条件，需使得主动齿轮和从动齿轮的法向节距相等。法向节距如下式表示：

 

 

预期收缩量出现偏差将导致模数出现偏差，由(式1)可知，法向节距也会出现偏差；同样地，对方齿轮也会有偏差。若法向节距依然相等自然不存在任何问题，但绝大多数情况下偏差量会有不同，导致法向节距无法吻合。通过改变POM齿轮的成型条件，制作出有着各种法向节距的齿轮，对它们进行组合后的噪音测量结果如图7所示。由此可知它们之间存在一个关联，即主动/从动的法向节距差越大，噪音也就越大。此处齿轮的理论法向节距为2.95mm，因此0.01mm的法向节距差相当于0.3%，该节距差可带来5dB的噪音变化；而在非增强POM情况下，注射压力改变10MPa将带来0.1%的变化。由此可知，通过调整成型条件可在很大程度上控制噪音的产生。在批量生产的最后阶段，仅通过改变成型条件便可大幅改善噪音这件事，意义十分重大。

 

图6：法向节距的相容性

 

图7：组合齿轮的法向节距差与噪音等级的关系

 

塑料齿轮的降噪需要采用适于塑料特性的方法。宝理塑料作为POM的顶级制造商，除了材料方面的提案，也有在设计层面对降噪进行提案，另外还积极推行包含齿轮箱材质、设计在内的综合提案。我们将坚定不移地进一步推行技术开发工作，相信能继续为各领域产品的高品质化发展做出卓越的贡献！