1、汽車凸輪軸齒輪高分子材料選擇與加工作者 *（單位 湖北汽車工業學院）摘要 汽車材料的選擇是機械設計與制造工作中重要的基礎環節，自始至終地影響整個設計過程。本文旨在探索制作汽車凸輪軸齒輪更好的高分子材料，并說明汽車凸輪軸齒輪材料成型的過程和未來發展的前景。主要從使用性能、工藝性能、經濟性、可靠性、環境影響方面，通過全面的具體的分析，合理地確定了制作汽車凸輪軸齒輪的相對更好的材料，最終塑料化后的凸輪軸齒輪以價格便宜、容易成型以及研究結果較為成熟等特點被確定為作為制作凸輪軸齒輪的高分子材料。另外對如何提高所選材料的性能，通過查閱大量資料，給出了具體的工藝流程。同時就汽車凸輪軸齒輪的未來前景方面，給出

2、了較多的較為實際思路。最后給出如何在本國更好地發展給了幾點建議。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 process from beginning to end. This article aims to explore the production of Car camshaft gears polymer materi

3、als and describes the Car camshaft gears material molding process and the prospects for future development. Mainly from the use of performance, process performance, economy, reliability, environmental impact, Plastic which is cheap, easy to shape and whos results more mature is determined for as pro

4、duction 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 process on how to improve the performance of the selected materials according to large amou

5、nts 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.關鍵詞 汽車凸輪軸齒輪；PF+GF；塑料化；高分子材料1、背景介紹傳統的汽車零部件均為鋼或其他金屬材質，隨著汽車工業的發展迫切需要新型材料來代替鋼材，以減輕車身重量、節能，提高舒適和美觀程度。近年來塑

6、料工業的迅速發展為滿足汽車工業的這種要求提供了可能，各種塑料功能件和內飾件不斷被采用，其中作為汽車發動機周邊用高分子材料中的凸輪軸齒輪塑料化在汽車內應用的最大領域。凸輪軸正時齒輪的作用是保證發動機運轉時的配氣相位,使進、排氣門的開啟和關閉與活塞運動相一致，在正時齒輪上打有標記，在裝配時與曲軸齒輪、凸輪軸齒輪的標記相對應。曲軸正時齒輪傳遞動力到凸輪軸齒輪, 凸輪軸齒輪是一個雙聯齒輪, 其中一個較大的齒輪與曲軸正時齒輪嚙合, 接受曲軸齒輪傳動的動力帶動凸輪運動, 實現柴油機進、排氣過程的正時;另一較小齒輪與噴油泵齒輪嚙合, 同時將動力傳遞到高壓油泵系統, 通過噴油泵驅動機構帶動高壓油泵。2、 零件

7、的工作條件、失效方式及性能要求2.1工作條件、失效方式齒輪在傳遞動力及改變速度的運動過程中, 嚙合齒面之間既有滾動, 又有滑動, 而且齒根部還受到脈動或交變彎曲應力的作用, 其服役條件和失效形式有下面三種： 1、 嚙合齒面間的磨擦力及齒面磨損,失效形式為氧化磨損, 冷咬合磨損和熱咬合磨損；2、 嚙合齒面的接觸應力及接觸疲勞, 失效形式有表面麻點、淺層剝落及涂層剝落；3、 齒輪的彎曲應力及彎曲疲勞, 失效形式為彎曲疲勞破壞。根據發動機功率及轉速的不同, 齒輪工作狀態及所受應力狀態也不同, 因此,傳動齒輪材料及表面強化方法的選用直接影響柴油機傳動系統的壽命。2.2性能要求總結：凸輪軸齒輪的主要性能

8、要求： 高的彎曲疲勞強度，防止輪齒的疲勞斷裂。 足夠高的齒面接觸疲勞極限和高的硬度、耐磨性，以防齒面損傷。 足夠的齒心部強韌性，以防沖擊過載斷裂。3、 零件材料的初步（選擇根據零件性能要求，海選，至少兩種，但要說明選擇的理由）3.1使用傳統金屬材料制汽車凸輪軸齒輪使用傳統金屬材料材料制作，如粉末冶金齒輪，具有生產工藝成熟，成本低，生產效率高、一次成型，成型后不需要再加工輪齒。齒輪成型過程中沒有廢料。如45鋼、40Cr廣泛用于機床齒輪。金屬齒輪運行良好，溫度和濕度變化時的尺寸穩定性好。3.2使用高分子材料制汽車凸輪軸齒輪相對于金屬齒輪，塑料齒輪具有質量輕、工作噪音小、耐磨損、無須潤滑、可以成型較

9、復雜的形狀、大批量生產成本低等優點。隨著新材料的應用及制造技術的發展，塑料齒輪的精度越來越高，壽命也越來越長，并廣泛應用于儀器、儀表、玩具、汽車、打印機等行業。如酚醛塑料已經廣泛應用于齒輪、耐酸泵、制動片、儀表外殼、雷達罩等。酚醛塑料的力學性能變化范圍寬，耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性能好，有良好的絕緣性。可以使用酚醛樹脂并選擇合理的增強機制，來制造凸輪軸齒輪。且對于酚醛樹脂，市場上有大量的公司供應，價格相對較低，且能基本滿足汽車凸輪軸齒輪的性能，因此酚醛塑料可以作為候選材料之一。4、 候選材料的具體分析（分子結構，材料性能特點，類型（熱固性或熱塑性）4.1使用40Cr鋼制汽車凸輪軸齒輪 40Cr（

10、低淬透性合金調制鋼）調質處理后具有良好的綜合力學性能，該鋼價格適中，加工容易，經適當的熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進組織球化，改進硬度小于160HBS毛坯的切削性能。在溫度550570進行回火，該鋼具有最佳的綜合力學性能。該鋼的淬透性高于45鋼，適合于高頻淬火，火焰淬火等表面硬化處理等。4.2 PF+GF高分子材料(玻纖增強酚醛塑料)酚醛塑料 酚醛塑料俗稱電木粉，是一種硬而脆的熱固性塑料，以酚醛樹脂為基體的塑料的總稱，是最重要的熱固性塑料的一類。一般可分為非層壓酚醛塑料和層壓酚醛塑料，非層壓酚醛塑料又可分為鑄塑酚醛塑料和壓制酚醛塑料。功能酚醛樹脂通常由酚類化合物和醛類化合

11、物縮聚而成。酚醛樹脂本身很脆，呈唬拍玻璃態，必須加人各種纖維或粉末狀填料后才能獲得具有一定性能要求的酚醛塑料。 酚醛塑料與一般熱塑性塑料相比，剛性好，變形小，耐熱耐磨，能在150-200的溫度范圍內長期使用，在水潤滑條件下，有極低的摩擦系數。其電絕緣性能優良;缺點是質脆，沖擊強度差。 酚醛塑料的機械強度高，堅韌耐磨，尺寸穩定，耐腐蝕，電絕緣性能優異。成型性能好，特別適用于壓縮成型;模溫對流動性影響較大，一般當溫度超過160時流動性迅速下降;硬化速度一般比氨基塑料慢，硬化時放出大量熱，厚壁大型制品易發生硬化不勻及過熱現象。玻纖的增強作用 對齒輪結構材料，應該考慮到纖維和填料對樹脂材料性能的重要作

12、用。例如當乙縮醛共聚物填充25%的短玻纖（2mm或更小）的填料后，它的拉伸強度在高溫下增大2倍，硬度升3倍。使用長玻纖（10 mm或者更小）填料可提高強度、抗蠕變能力、尺寸穩定性、韌性、硬度、磨損性能等以及其它的更多性能。因為可獲得需要的硬度、良好的可控熱膨脹性能，在大尺寸齒輪和結構應用領域，長玻纖增強材料正成為一種具有吸引力的備選材料。 玻纖增強塑料的原理主要是由于玻纖樹脂界面上連接必然是使作用到模塑件上的力傳導到玻纖上，因此玻纖的長度被充分利用，起到樹脂增強的目的。因此在這里，我們可以使用長玻纖增強機制，來改善酚醛樹脂的力學性能，使其更適用于制造凸輪軸齒輪。5、候選材料成形或加工方法的選擇

13、（說明選擇的依據，現在已經使用的材料還是替代材料，你選擇的成形或加工方法，可能存在的問題；如果選用零件加工需要連接，說明具體的連接方法、連接的原理）使用40Cr的成形法粉末冶金工藝的基本工序1、 原料粉末的制備。現有的制粉方法大體可分為兩類：機械法和物理化學法。而機械法可分為：機械粉碎及霧化法；物理化學法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。其中應用最為廣泛的是還原法、霧化法和電解法。 2、粉末成型為所需形狀的坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應用最多的是模壓成

14、型。3、坯塊的燒結。燒結是粉末冶金工藝中的關鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結使其得到所要求的最終物理機械性能。燒結又分為單元系燒結和多元系燒結。對于單元系和多元系的固相燒結，燒結溫度比所用的金屬及合金的熔點低；對于多元系的液相燒結，燒結溫度一般比其中難熔成分的熔點低，而高于易熔成分的熔點。除普通燒結外，還有松裝燒結、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結工藝。4、產品的后序處理。燒結后的處理，可以根據產品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機加工、熱處理及電鍍。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應用于粉末冶金材料燒結后的加工，取得較理想的效果。粉末冶金齒輪主要加工工序 凸輪軸齒輪的表面強化主要采用化學

15、熱處理，目前，生產中廣泛采用的化學熱處理工藝有滲碳、滲氮、碳氮共滲。模鍛、正火高溫回火調質粗加工端面穩定回火車外形、粗精加工內孔滾齒、鉆鉸定位孔粗插齒人工時效剃大端面、精插小端齒碳氮共滲拋光內孔及兩端面。5.2 PF+GF高分子材料（玻纖增強酚醛樹脂） 齒輪的加工必須確保每一次成型的腔內成型溫度和冷卻速率相同。精密齒輪加工中最常見的問題是如何處理齒輪對稱性冷卻以及各模腔間一致性的問題。 精密齒輪的模具一般不超過4個型腔。由于第一代的模具只生產一個齒輪，很少有具體的說明，輪齒嵌入物經常用來減少二次切削的成本。 精密齒輪應該從齒輪中心位置的一個澆口處注入。多澆口易形成熔合線，改變壓力分布和收縮，影

16、響齒輪公差。對于玻纖增強的材料，由于纖維沿著焊接線成放射狀排列，使用多澆口時易造成半徑的偏心的“碰撞”。 要控制好齒槽處的變形，獲得可控的、一致性的、均勻的收縮能力的產品是以良好的設備、成型設計、所用的材料伸展能力以及加工條件為前提的。在成型時，要求精密控制成型表面的溫度、注射壓力和冷卻過程。其它的重要因素還包括壁厚、澆口尺寸和位置、填料類型、用量和方向、流速和成型內應力。 6、零件材料的確定與金屬成型相比，塑料成型的固有的設計自由度保證了更高效的齒輪制造。可以用塑料成型內齒輪、齒輪組、渦輪等產品，而這是難以一個合理的價格使用金屬材料來成型。塑料齒輪應用領域比金屬齒輪寬，因此它們推動了齒輪朝著

17、承受更高負荷、傳送更大動力的方向發展。塑料制造的齒輪一般不需要二次加工，所以相對于沖壓件和機造件金屬齒輪，在成本上保證了50%到90%水平的降低。由于塑料齒輪成型上的優勢以及可以成型高精度和高強度的特征且PF+GF樹脂在市場上生產廠家較多，價格相對便宜，工藝也相對成熟。綜上所述，選擇PF+GF樹脂作為生產汽車凸輪軸齒輪的主要材料。7、 提高所選材料性能的途徑（提高性能的原理和工藝）酚醛塑料的主要缺點是性脆、耐電弧性差，介電性能隨頻率的變化而改變等缺點，所以在生產的應用中，則采用改性的方法來彌補酚醛樹脂的不足。采用酚醛樹脂（主要是熱塑性的）和其他類型高聚物混合應用可以改善酚醛塑料的性能。常用的高

18、聚化合物有：聚酰胺樹脂、聚氯乙烯樹脂、丁腈橡膠、聚丙烯樹脂等。例如與聚氯乙烯混合后能使其機械強度、耐熱性、介電性、耐酸性、耐水性等方面獲得提高，且有較好的著色性。以酚醛樹脂和丁腈橡膠為基礎制成的電木粉可以大大提高制件的沖擊強度。以酚醛樹脂與聚酰胺樹脂和無機填料（如云母與長石）的混合物所制造的電木粉具有更高的介電性能，其制件能夠在高溫度、高頻率、高壓的條件下使用。熱處理會提高固化樹脂的玻璃化溫度，可以進一步改善樹脂的各項性能。玻璃化溫度與結晶固體如聚丙烯的熔化狀態相似。酚醛樹脂最初的玻璃化溫度與在最初固化階段所用的固化溫度有關。熱處理過程可以提高交聯樹脂的流動性促使反應進一步發生，同時也可以除去

19、殘留的揮發酚，降低收縮、增強尺寸穩定性、硬度和高溫強度。同時，樹脂也趨向于收縮和變脆。樹脂后處理升溫曲線將取決于樹脂最初的固化條件和樹脂系統。8、 汽車凸輪軸齒輪材料的未來發展動向 8.1粉末冶金的發展動向粉末鍛造技術，1968年首先在美國出現。由于粉末鍛造機械零件具有材料利用率高，力學性能好，鍛造尺寸精度高和質量準確，大規模投產可以顯著降低制造成本等優點，在許多的國家掀起開發粉末鍛造零件，材料與工業生產技術的熱潮。粉末鍛造技術與粉末鍛造零件，不斷發展完善與推進產業化，并經各國汽車實際使用結果表明，粉末鍛造零件的可靠性高，技術經濟效益顯著。我國汽車工業現已處于高速發展時期，現在上海的粉末冶金行

20、業還不能適應上海汽車工業年產100萬輛轎車和發展燃料電池動力電動車與混合動力電動車的發展形勢。粉末冶金行業必須抓緊時機，組織力量對一批關鍵技術進行攻關，并相應對一批企業進行技術改造，改組，改制成為現代化的粉末冶金行業。粉末冶金協會，粉末冶金材料和粉末燒結零件生產廠以及粉末冶金科研單位，應密切關注汽車工業發展趨勢，針對市場的需求，抓住機遇，加快發展，把企業規模，素質與產品質量以及粉末冶金技術，提高一步。綜述，發展粉末冶金新技術，對于汽車工業的發展具有重大的技術經濟意義，他們在汽車上有著非常廣的應用前景，并帶動其他領域范圍的開發應用，可以形成新的粉末冶金材料制品的產業。 8.2齒輪塑料化的發展動向

21、與金屬材料相比,塑料在成本、設計、加工和性能上具有很多優勢。塑料成型設計的自由度保證了更高效的齒輪制造,可以用塑料成型內齒輪、齒輪組、蝸輪等產品,而這些產品很難以一個合理的價格使用金屬材料來成型。塑料制造的齒輪一般不需要二次加工,且相對于沖壓、機造金屬齒輪在成本上可降低50%90%。塑料齒輪還比金屬齒輪輕、惰性好,可用在金屬齒輪易腐蝕、退化的環境中,例如水表和化學設備的控制。和金屬齒輪相比,塑料齒輪可以通過偏轉變形來吸收沖擊載荷的作用,能較好地分散軸偏斜和錯齒造成的局部負荷變化。許多塑料固有的潤滑特征使其成為打印機、玩具和其它低負荷運轉機構齒輪的理想材料。塑料齒輪除了在干燥的環境中運行外,還可用油脂或油來潤滑。塑料齒輪的應用領域比金屬齒輪寬,它們推動了齒輪朝著承受更高負荷、傳送更大動力的方向發展。工藝的先進性和材料的多樣性許多先進的塑料齒輪成型方法正在不斷被開發出來。例如采用二次注射成型法,通過在輪軸和輪齒之間設計一個彈性體可使齒輪運行起來更安靜,在齒輪突然停止運轉時能夠較好地吸收振動,避免輪齒損壞。輪軸可以被重新模塑上柔韌性更好或價值更高、自潤滑效果更好的復合材料。采用氣輔法和注射壓制模