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作为基础传动元件之一，齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢，调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢逐渐成为制造齿轮的常用材料。不同的材质被用于不同齿轮的制 作为基础传动元件之一，齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢，调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢逐渐成为制造齿轮的常用材料。不同的材质被用于不同齿轮的制造，一般来说铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。随着齿轮应用设备在性能和技术方面的不断提升，齿轮也需要向重载、高精度和高效率的方向发展。在此情况下，强度高、重量轻、寿命长的碳纤维复合材料齿轮应运而生。 与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料用于齿轮制作时有以下几个方面的优势：一是碳纤维材料的拉伸强度高，高强型碳纤维强度甚至能达到2000－4000MPa，通常，齿轮在施加于齿面的压力作用下，齿根会受到拉伸应力，使用碳纤维复合材料制作齿轮可以有效减弱这种应力，延长齿轮的使用寿命。 二是碳纤维增强树脂基复合材料具备质量轻的特点，以这种齿轮替代汽车等配备的传统金属齿轮，有利于实现轻量化、高效率的生产目标。 三是由于碳纤维复合材料的流变特性和塑化性能优越，由其制成的齿轮在外观上显得更加光洁，尺寸规则、重量偏差小，齿轮的精度相比更高。在应用于机械设备安装时不仅能做到严丝合缝，更能有效保护齿轮传动轴，使设备运行更加稳定和精确，为产品质量的提高提供了基础保障。 四是碳纤维复合材料还有耐磨损、耐腐蚀的优势。碳纤维复合材料齿轮的磨损速度远远低于传统齿轮，使用寿命是原齿轮的四倍以上。齿轮的长时间平稳运转保证了生产的正常进行，有效节省了设备的运行维护费用，降低了生产成本。 据测试，用碳纤维复合材料制成的齿轮在拉伸强度和弯曲强度方面都有显著的提高。这种高强度确保了齿轮在使用过程中减少了变形、断齿、缺齿的发生几率，也能更好地应对设备过载、机械损伤等问题。因为满足了设备长时间高负荷运转，所以有效减少了设备非计划的停机次数，从整体上提高了生产效率。但是由于加工难度较大，该方面的实际应用举步维艰。早在2015年，日本岐阜大学模具创成技术研究中心就开始和Central FineTool公司共同开发出利用碳纤维材料强化的树脂齿轮，预计在2017年年中投入批量生产，这种新开发出的齿轮生产工艺一旦正式投如使用，将用于机械部件的大量生产，比如替代汽车等配备的金属齿轮。国内的碳纤维复合材料齿轮研发还处在初始阶段，并且只局限于个别行业中。如上海石化采用碳纤维及复合材料经注塑、模压成型后制成从直径3.5cm的“克”级到直径达20cm的“公斤”级碳尼齿轮，这种复合材质的齿轮具有高强度、高精度、耐高温等优点。两年来，“克”级碳尼材料齿轮已在生产线上逐步替代传统纯尼龙齿轮，齿轮的使用寿命得到了成倍的增加。 与碳纤维复合材料齿轮相比，将碳纤维复合材料用于齿轮箱制作的可能性也引起了行业内的重视，比如高铁齿轮箱的应用。高铁齿轮箱是由齿轮、箱体、轴承及润滑机构等组成，电机的动力就是由这个装置传送到列车上的。因而，该装置属于高铁列车的核心部件之一。 当列车时速从200公里提升至380公里时，从动齿轮的线速度将从每秒35米跃升至每秒70米。如此高的转速，对齿轮本身的性能、齿轮间的啮合、箱体的密封可靠性等都提出了极大的挑战。另外，高速铁路在途径高寒地区时，还需应对零下几十摄氏度的低温、高达几十厘米的积雪、深达数百厘米的冻结土壤，这种恶劣的运营环境对高速列车的正常行驶同样是艰巨的难题。综上所述，制作齿轮箱必须选择强度高、重量轻、较大温差下蠕变性小、加工精度高的材料。 无锡威盛新材料科技有限公司立足高端装备制造业，在碳纤维复合材料制品的应用开发方面有多行业的合作经验，碳纤维复合材料高铁结构件、防护壁板等产品已批量应用于高铁等轨道交通行业中。据其研发部负责人介绍，自从2014年因德国福伊特生产的高铁齿轮箱频出事故后，我国着力于该项目的自主研发，目前取得较大突破的有南车戚墅堰所的CRH380A齿轮传动系统，其对高寒动车组齿轮箱的箱体、齿轮材料、润滑密封、轴承配置和选型等方面进行了有针对性的设计优化和仿真分析，产品已经通过铁总要求的60万公里的装车运行考核和专家评审验收。重庆凯瑞传动研发的CW350（D）高铁齿轮箱，也继而解决了高铁齿轮箱铝合金箱体抗疲劳冲击、齿轮高强度长寿命、密封可靠性等技术难题，达到国际先进的高铁减速传动装置研发技术水平。 “但实际上，中国高铁运营环境和条件相当复杂多样，我们也只是取得了阶段性成果”，威盛新材的该负责人称，“铝合金箱体在抗疲劳冲击等方面虽然能满足目前的需要，但是就高铁等轨道交通的未来发展来说，铝合金箱体的轻量化方面与碳纤维复合材料相比，差距还很大”。据其介绍，威盛新材已成功地将碳纤维复合材料应用于新能源汽车的电池箱制造中，成功实现了低能耗低污染和高强度耐腐蚀的综合性目标，“如果能将碳纤维复合材料尽快地应用高铁齿轮箱体的制造，这对高铁的轻量化发展也许是一个新的突破”，他最后强调，“碳纤维复合材料的应用在某种层面上其实和多米诺骨牌类似，关键是推到第一个障碍，第一张牌也许就决定了最后一张牌的胜利”。 |
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