11.1 MC 尼龍和DURACON(R) 的物理性能
M C 是 M ONO CAST 的簡稱, 實質上是被稱為尼龍6 的聚酰胺樹脂。
DURACON(R) 是被稱為聚縮醛的結晶性熱可塑工程塑料。DURACON(R) 為 POLYPLASTICS( 株式會社)在日本和其他國家的注冊商標。
這些塑料的特點是:
○ 有自潤性, 可以無潤滑運轉。
○ 可以減少噪音。
○ 重量輕, 具有優秀的耐腐蝕性
擁有上述優點的反面, 做為塑料材的一般性質, 性能容易受溫度上升及吸收水分的影響。這些缺點使塑料材做為齒輪等使用在機械重要部件上時成為問題點。
為此, 關于塑料材料, 做為一般的方法, 需要預知其在具有代表性的條件下的性質, 并以此為基做出概略設計, 經過反復的實用試驗后, 再正式投入使用。
（1）機械特性
表11.1 示意了標準狀態下的機械特性。
所有機械特性都有隨溫度上升強度下降的傾向。
| 性質 | 試驗法 ASTM |
單位 | MC 尼龍 | 聚縮醛 樹脂 |
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| MC901 | MC602ST | ||||
| 比重 | D ? 792 | ? | 1.16 | 1.23 | 1.41 |
| 拉伸強度 | D ? 638 | MPa | 96 | 96 | 61 |
| 延伸率 | D ? 638 | % | 30 | 15 | 40 |
| 拉伸彈性模量 | D ? 638 | MPa | 3432 | - | 2824 |
| 抗壓強度屈服點 | D ? 695 | MPa | 103 | - | - |
| 抗壓強度(5％變形) | D ? 695 | MPa | 95 | 115 | 103* |
| 壓縮彈性模量 | D ? 695 | MPa | 3530 | 4640 | 2700 |
| 彎曲強度 | D ? 790 | MPa | 110 | 140 | 89 |
| 彎曲彈性模量 | D ? 790 | MPa | 3530 | 4640 | 2589 |
| 泊桑比 | — | — | 0.4 | — | 0.35 |
| 洛氏硬度 | D ? 785 | R 標度 | 120 | 120 | 119 |
| 剪 切 強 度 | D ? 732 | MPa | 70.9 | — | 54.9 |
- 注1
- MC 尼龍的測定值為絕對干燥時的參考值。
- 注2
- 聚縮醛樹脂的抗壓強度為10% 變形。
（2）溫度特性
塑料材料與金屬材料相比較, 尺寸受溫度的影響變
化大, 在使用時必須多加注意。
表11. ２中列出了MC 尼龍及聚縮醛樹脂材料的溫度特性。
| 性質 | 試驗法 ASTM |
單位 | MC 尼龍 | 聚縮醛 樹脂 |
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| MC901 | MC602ST | ||||
| 熱傳導率 | C ? 177 | W/(m ? k) | 0.23 | 0.44 | 0.23 |
| 線膨脹系數 | D ? 696 | ×10?5 / ℃ | 9.0 | 6.5 | 9.09 |
| 比熱 | — | kj/(kg?k) | 1.67 | — | 1.46 |
| 載荷撓曲溫度 1.820MPa |
D ? 648 | ℃ | 200 | 200 | 110 |
| 載荷撓曲溫度 0.445MPa |
D ? 648 | ℃ | 215 | 215 | 158 |
| 連續使用溫度 | — | ℃ | 120 | 150 | 95 |
| 熔點 | ℃ | 222 | 222 | 165 | |
- 注1
- MC 尼龍的測定值為絕對干燥時的參考值。
- 注2
- 在低溫下使用時, 請考慮脆化溫度(-30 ~ -50℃ ) 的條件, 根據實際使用成績或實驗來決定。
◆ MC 尼龍（MC901) 制齒條尺寸隨溫度變化量的計算例
設定產品型號：PR2-1000（全長1010 ｍｍ）
假設產品使用前
· 環境溫度20℃＝產品溫度20℃
· 全長1010ｍｍ
假設溫度上升量為20℃
· 20℃ → 40℃
線膨脹系數
· 9×10-5 /℃
計算方法
尺寸變化量＝線膨脹系數× 長度× 溫差
＝9×10-5 / ℃ ×1010 mm×20℃
＝1.818 mm
MC 尼龍制齒條PR2-1000（全長1010 mm）在溫度上
升20℃時長度變化大約為1.8 mm 左右。
（3）吸水性
塑料材料一般具有吸水性。受吸水的影響機械性能以及耐磨性能等下降。
表11.3 中, 列出了尼龍和DURACON(R) 的吸水率。
| 條件 | 試驗法 ASTM |
單位 | 尼龍 MC901 |
DURACON(R) M90 |
| 吸水率 （水中、常溫、24小時） |
D ? 570 | ％ | 0.8 | 0.22 |
| 吸水飽和值 （水中） |
6.0 | 0.80 | ||
| 吸水飽和值 （室溫、放于室內） |
2.5 ? 3.5 | 0.16 |
- 注1
- MC602ST 的吸水率是MC901 的90%。
與 MC 尼龍相比, DURACON(R) 是吸水性較低的塑料。
MC 尼龍產品由于吸水的影響會造成尺寸上的變化。
購入時的尺寸會受使用環境及氣候的影響, 產生若干尺寸上的誤差。
圖11.1 示意了 MC901 的水分吸收率和尺寸增加量的關系
◆ MC 尼龍（MC901）制齒條的膨脹量計算例
假設產品型號PR2-1000（全長1010 mm）
- 假設產品使用前
- 預測膨脹后
- ● 水分吸收率1％
- 假設常溫室內, 吸水率為
- ● 全長1010 mm
- 3％
計算例
(1) 根據圖11.1 MC901 的吸水率與尺寸增加量
● 使用前吸水率為1％時,尺寸增加量為0.2％
● 膨脹后吸水率為3％ ,尺寸增加量為0.75％
(2) 增量為 0.75％ー0.2％＝ 0.55％
(3) 因為齒條的原長為1010 mm , 所以尺寸增加量為
1010mm×0.55％＝ 5.555mm
（4）耐化學腐蝕性
MC 尼龍
MC 尼龍的耐腐蝕性, 與其他普通樹脂基本上相同。
一般的說, 抗有機溶劑怕酸。
綜合其特點, 主要有下列幾點。
- ●對于大部分的有機酸, 即使是在常溫, 低濃度的場 合下也不能無條件使用。
- ●在常溫條件下, 無機堿的使用濃度可以達到很高。
- ●無機鹽的水溶液的使用溫度及濃度可以達到很高。
- ●與無機酸相比, 在有機酸( 除蟻酸以外) 中使用時的性能相當安定。
- ●對酯類, 酮類在常溫下使用時, 性能安定。
- ●對芳香族類, 常溫條件下性能安定。
- ●對礦物油, 植物油, 動物油脂, 在常溫條件下性能安 定。
表11.4 列出了尼龍樹脂的耐腐蝕性能。根據使用條件可能會有不同的結果。請在使用前做預備試驗。
表11.4 MC 尼龍的耐腐蝕性 （○基本上不被腐蝕 △在一定的條件下可以使用 × 不能使用）
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DURACON(R)
DURACON(R) 材料的最大特點是耐有機化學藥品的
性能良好。但是, 這個性質的反面, 有找不到適當的溶劑型粘合劑的缺點。
綜合其特點, 主要有下列幾點。
- ·對無機化學藥品具有良好的抗腐蝕性, 但對硝酸,鹽酸及硫酸等強酸類, 容易受其侵蝕。合成洗衣粉等家庭用化學用品基本上對其不產生影響。
- ·在高溫的潤滑油中長時間使用也基本上不會劣化,但是, 高級潤滑油中的添加劑有對其產生影響的可能。
- ·潤滑脂也與潤滑油相同, 潤滑脂中的添加劑可能會對其產生影響。
要想知道相對每一種化學藥品的抗腐蝕性, 必須詳細查閱各個塑料制造廠家的技術資料。
11.2 塑料齒輪的強度計算
（1）正齒輪的彎曲強度
MC 尼龍
MC901 尼龍的正齒輪, 其節圓上的容許切向力 F（kgf）根據路易斯方程式進行計算。
F = mybσb f（kgf）（11.1）
- 其中m
- ：模數（mm）
- y
- ：節點附近的齒形系數
（由表11.5 中求出） - b
- ：齒寬（mm）
- σb
- ：容許彎曲應力（kgf/mm2）
（由圖11.2 中求出） - f
- ：速度系數（從表11.6 中求出）
| 齒數 | 齒形系數 | ||
| 14.5° | 20°全高齒 | 20°短齒 | |
| 12 | 0.355 | 0.415 | 0.496 |
| 14 | 0.399 | 0.468 | 0.540 |
| 16 | 0.430 | 0.503 | 0.578 |
| 18 | 0.458 | 0.522 | 0.603 |
| 20 | 0.480 | 0.544 | 0.628 |
| 22 | 0.496 | 0.559 | 0.648 |
| 24 | 0.509 | 0.572 | 0.664 |
| 26 | 0.522 | 0.588 | 0.678 |
| 28 | 0.535 | 0.597 | 0.688 |
| 30 | 0.540 | 0.606 | 0.698 |
| 34 | 0.553 | 0.628 | 0.714 |
| 38 | 0.556 | 0.651 | 0.729 |
| 40 | 0.569 | 0.657 | 0.733 |
| 50 | 0.588 | 0.694 | 0.757 |
| 60 | 0.604 | 0.722 | 0.774 |
| 75 | 0.613 | 0.735 | 0.792 |
| 100 | 0.622 | 0.757 | 0.808 |
| 150 | 0.635 | 0.779 | 0.830 |
| 300 | 0.650 | 0.801 | 0.855 |
| Rack | 0.660 | 0.823 | 0.881 |
| 潤滑狀態 | 切向速度 m/s | 系數 |
| 油潤滑 | 不滿 12 12 以上 |
1.0 0.85 |
| 無潤滑 | 不滿 ５ ５ 以上 |
1.0 0.7 |
DURACON(R)
M90 DURACON(R) 的正齒輪, 其節圓上的容許切向力 F（kgf）根據路易斯方程式進行計算。
F = mybσb（11.2）
- 其中m
- ：模數（mm）
- y
- ：節點附近的齒形系數
（由表11.5 中求出） - b
- ：齒寬（mm）
- σb
- ：容許彎曲應力（kgf/mm2）
容許彎曲應力 σb 通過下式求出。
- 其中σb
- ：標準條件下的最大容許彎曲應力
（kgf/mm2）
由圖11.3 中求出 - CS
- ：使用狀況系數（由表11.7 中求出）
- KV
- ：速度系數(由圖11.4 中求出)
- KL
- ：潤滑系數(由表11.8 中求出)
- KM
- ：材質系數(由表11.9 中求出)
| 負載種類 | 一天的運轉時間 | |||
| 24 小時/ 每天 | 8-10小時/每天 | 3 小時/ 每天 | 0.5 小時/ 每天 | |
|
相同時 有輕微沖擊時 有中度沖擊時 有劇烈沖擊時 |
1.25 1.50 1.75 2.00 |
1.00 1.25 1.50 1.75 |
0.80 1.00 1.25 1.50 |
0.50 0.80 1.00 1.25 |
| 潤滑條件 | KL |
| 使用潤滑脂做初期潤滑 | 1 |
| 使用潤滑油做連續潤滑 | 1.5 － 3.0 |
| 材質的組合 | KM |
| DURACON(R) 與金屬 | 1 |
| DURACON(R) 與 DURACON(R) | 0.75 |
使用上的注意
設計塑料齒輪時, 必須注意的是有關溫度的問題。
- (1) 增大齒隙。
- 塑料齒輪隨溫度上升及吸濕等尺寸增大, 所以有必要預料其影響設計齒隙。
- (2) 使用油潤滑。
- 塑料齒輪容易產生溫升。為了達到潤滑及冷卻的目的, 我們推薦使用油潤滑。
采用潤滑油潤滑, 可以充分的發揮出塑料齒輪的性能。特別是在高速旋轉下使用的塑料齒輪, 油潤滑非常重要。 - (3) 與金屬制齒輪組合使用。
- 因為塑料齒輪容易產生溫度上升, 所以選擇與金屬制齒輪配套的話, 可以起到抑制塑料齒輪升溫的效果。
（2）正齒輪的齒面強度
DURACON(R)
施行了潤滑的 DURACON(R) 齒輪, 齒面磨損基本上
不大成為問題。但是, 在無潤滑的狀態下使用時, 有必
要檢討齒面強度。
齒面強度, 根據赫茲面壓 SC（kgf/mm2）進行計算。
- 其中F
- ：作用在齒上的切向力（kgf）
- b
- ：齒寬（mm）
- d01
- ：小齒輪的分度圓直徑（mm）
- i
- ：齒數比 = z2/z1
- E
- ：齒輪材料的彈性系數（kgf/mm2）
DURACON(R) 的彎曲彈性系數由
圖11.6 中求出 - α
- ：壓力角（度）
利用公式(11.4) 所計算的赫茲面壓 SC 數值, 如果在圖11.7 中曲線的下方的話, 使用可能, 在曲線上方的話,不能使用。
但是, 圖11.7 的數據是在同為 DURACON(R) 齒輪, m ＝ 2、v ＝ 12m/s 的條件下的結果。只有在使用條件類似或更安全的條件下, 才可以使用圖11.7。
（3）錐齒輪的彎曲強度
MC 尼龍
錐齒輪的分度圓上的切向力 F（kgf）根據下式進行計算。
- 其中y
- ：節點附近的齒形系數
依據當量齒輪的齒數 zv , 從表11.5
中求出。 
- Ra
- ：大端錐距（mm）
- δ0
- ：分錐角（度）
其他各項的計算與尼龍正齒輪彎曲強度的計算相同。
DURACON(R)
錐齒輪的節圓上的切向力 F（kgf）根據下式進行計算。
其中
- y
- ：節點附近的齒形系數
根據公式11.6 所計算出的當量齒
數從表11.5 中求出。
其他各項的計算與 DURACON(R) 正齒輪彎曲強度 的計算相同。
（4）蝸輪的彎曲強度
MC 尼龍
在蝸桿蝸輪的組合中, 因為一般是蝸桿比較安全, 使用,針對蝸輪的輪齒做彎曲強度的計算。
蝸輪的節圓上的容許切向力 F（kgf）通過下式計算。
F = mn ybσb f（kgf）（11.8）
- 其中mn
- ：法向模數（mm）
- y
- ：節點附近的齒形系數
根據當量齒輪齒數 zv 從表11.5 中
求出。 
蝸桿副傳動中, 因為相對滑動運動大, 容易發熱引起強度下降及異常磨損, 所以滑動速度必須控制在表11.10 所列數據以下。
表11.10 材料的組合及滑動速度極限| 蝸桿的材料 | 蝸輪的材料 | 潤滑條件 | 滑動速度 |
| “MC” | “MC” | 無潤滑 | 0.125m/s 以下 |
| 鋼 | “MC” | 無潤滑 | 1 m/s 以下 |
| 鋼 | “MC” | 初期潤滑 | 1.5 m/s 以下 |
| 鋼 | “MC” | 連續潤滑 | 2.5 m/s 以下 |
滑動速度vs 的計算公式為:
特別是對于塑料制蝸桿副, 油潤滑非常重要。無潤滑條件下的高負載及連續運轉必須回避。
（5）塑料齒輪的鍵槽強度
將齒輪與軸連結時, 使用鍵槽是最為常見的方法。
塑料齒輪的鍵槽強度根據鍵槽所受面壓 σ（kgf/cm2）的大小進行判斷。
- T
- ：傳動轉矩（kgf?cm）
- d
- ：軸徑（cm）
- l
- ：有效鍵槽長度（cm）
- h
- ：鍵槽深度（cm）
MC901 尼龍的最大容許面壓是200kgf/cm2 , 所以鍵槽所受的面壓 σ 必須小于此數值。還有, 鍵槽的角部加工成圓型是理想狀態。
塑料齒輪除鍵槽強度外, 還應注意齒根到鍵槽頂部的距離也必須有充分的長度。此長度原則上要在齒高的2 倍以上。
下列情況下, 必須避開在塑料齒輪上直接加工鍵槽。
● 鍵槽的強度不足
● 環境溫度高
● 齒輪的直徑大
● 承受劇烈的沖擊
在這種情況下, 首先在塑料齒輪上裝填金屬制的輪轂, 然后在輪轂上開鍵槽的方法最為常用。
在塑料制的齒輪上裝填輪轂的方法, 有以下幾種:
- ● 將塑料齒輪裝填在金屬制的輪轂上, 然后用螺桿加以固定的方法
- ● 將金屬制的環夾在塑料齒輪上, 然后用螺桿加以固定的方法
- ● 將塑料齒輪熔接在金屬輪轂上的方法
11.3 融接品的融接強度( 接合強度)
KHK 標準齒輪中的NSU 鋼芯塑料正齒輪及PU 不銹鋼芯塑料正齒輪采用特殊工藝將MC 尼龍制齒輪融接固定在金屬輪轂部位。
下面介紹融接固定法的技術信息。
（1）融接固定法的概要
首先在芯材金屬棒表面加工寬度為2mm 左右的鉆石滾花, 然后切割一個至數個凹槽( 寬度為1 - 2mm、深度1mm)。（圖11.8）
芯材的滾花面經特殊處理后, 熱套 “MC” 尼龍材, 再放入融接設備中融接固定。
（2）融接固定法的特長
- (1) 使用溫度范圍寬。
- 有在130 ～ 140℃爐中使用融接材制車輪的實例。
- (2) 尺寸穩定。
- 與螺栓固定不同，由于尼龍是融接固定在金屬輪轂的整個外徑表面，所以溫度變化對尺寸的影響非常小。
- (3) 外觀良好。
- 因為不使用螺栓及螺母, 產品的外觀佳。
（3）融接強度以及安全系數
(1) 融接品的融接強度( 接合強度) 隨融接面積而變化。
金屬芯外徑與徑向強度(轉矩) 及軸向推力的關系如圖11.9、圖11.10 所示。
(2) 當環境溫度上升時, 可從圖11.11 中獲得溫度補償 系數以計算容許強度。安全系數請設定為4 - 5。
其中
- Tal
- ：容許融接強度
- Tmax
- ：最大融接強度(如圖11.9、圖11.10 所示）
- T
- ：環境溫度修正系數
