鑄型尼龍EPS蝸輪尺寸穩(wěn)定性研究

劉萬鵬 鄭梯和 劉愛學(xué) 郭其昌 李杰

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007 2.中車株洲電力機(jī)車研究所-株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南株洲市 412007

1 引言

鑄型尼龍（單體澆鑄尼龍，又稱為MC尼龍），是己內(nèi)酰胺單體C6H11NO采用陰離子聚合反應(yīng)方法制備而成。鑄型尼龍是塑料中的一個特殊的品種，在分子結(jié)構(gòu)上與尼龍6基本相似，但是與傳統(tǒng)的尼龍6相比，它具有合成工藝簡單、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點[1-3]。鑄型尼龍聚合度高， 分子量與結(jié)晶度大， 具有比其它工程塑料更優(yōu)良的性能， 被廣泛用來制造耐磨減摩零件[4]。由于鑄型尼龍綜合性能優(yōu)異，尤其是在耐磨方面，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛，EPS蝸輪產(chǎn)品就是其中之一。

EPS蝸輪是汽車EPS電子助力轉(zhuǎn)向器中主要傳動部件。EPS蝸輪由尼龍塑膠與金屬輪轂復(fù)合而成。EPS蝸輪的塑膠部分主要有鑄型尼龍、PA66、PA12與PA46。其中鑄型尼龍由于其優(yōu)異的耐磨性、良好的尺寸穩(wěn)定性、成型工藝簡單、成本低而作為EPS蝸輪塑膠的首選材料之一。

鑄型尼龍材料的尺寸穩(wěn)定性改性方法很多，其中包括油煮、水煮。其中油煮可以提高材料的強(qiáng)度和耐磨性，降低材料的摩擦系數(shù)與吸水性，從而達(dá)到改善產(chǎn)品的的尺寸穩(wěn)定性。水煮的主要目的是提高材料的韌性，使得材料本生具備一定的含水率，產(chǎn)品的穩(wěn)定性增加。

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對EPS蝸輪材料的要求也越來越高，尤其尺寸穩(wěn)定性方面。鑄型尼龍雖然吸水率低，但是對于蝸輪蝸桿間隙配合(要求小于0.03)的高精度使用工況，仍然無法滿足其要求。本文通過對蝸輪產(chǎn)品進(jìn)行水煮及通過改變輪轂外徑兩個方案來進(jìn)行研究，以期達(dá)到解決蝸輪尺寸穩(wěn)定性的難題。

2 試驗部分

某車型整車試驗過程出現(xiàn)轉(zhuǎn)向卡滯，轉(zhuǎn)向不回位的問題。主要變現(xiàn)為故障車操縱方向盤時，手感明顯比正常車重，且轉(zhuǎn)動方向盤松手后，方向盤沒有回中位的趨勢或回轉(zhuǎn)殘余角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常車。對故障車EPS轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行互換試驗，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象跟EPS轉(zhuǎn)向管柱走。

正文內(nèi)容。正文、圖表中的變量都要用斜體字母，對于矢量和張量使用黑斜體，只有pH采用正體；使用新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的符號；量的符號為單個拉丁字母或希臘字母；不能把量符號作為純數(shù)使用；不能把化學(xué)符號作為量符號使用，代表物質(zhì)的符號表示成右下標(biāo)，具體物質(zhì)的符號及其狀態(tài)等置于與主符號齊線的圓括號中。

注意區(qū)分量的下標(biāo)字母的正斜體：凡量符號和代表變動性數(shù)字及坐標(biāo)軸的字母作下標(biāo)，采用斜體字母。

正文中引用參考文獻(xiàn)的標(biāo)注方法，在引用處對引用的文獻(xiàn)，按它們在論著中出現(xiàn)的先后用阿拉伯?dāng)?shù)字連續(xù)排序，將序號置于方括號內(nèi)，并視具體情況把序號作為上角標(biāo)或作為語句的組成部分。

高校機(jī)關(guān)工作作風(fēng)建設(shè)在高校的建設(shè)和發(fā)展中具有重要意義。加強(qiáng)和改進(jìn)高校機(jī)關(guān)工作作風(fēng)建設(shè)，必須從思想觀念、理論學(xué)習(xí)、制度建設(shè)、服務(wù)精神、組織管理、辦事效率、工作業(yè)績、廉潔自律等機(jī)關(guān)工作作風(fēng)的要素入手，通過技術(shù)手段和機(jī)關(guān)工作人員的意識內(nèi)化，實現(xiàn)常態(tài)化的建設(shè)機(jī)制，保障學(xué)校的正常運行和發(fā)展。

2.1 試驗原料

己內(nèi)酰胺，優(yōu)級品，岳陽石化；

氫氧化鈉（NaOH），分析純，天津試劑廠；

甲苯二異氰酸脂（TDI），分析純，煙臺萬華；

耐磨劑；

金屬輪轂，45#鋼

2.2 實驗設(shè)備及儀器

反應(yīng)釜：5L，自制；

真空泵∶XL-8，上海真空泵廠；

微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)：CMT-4503，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；

微機(jī)控制摩擦磨損試驗機(jī)：MMS-2A，濟(jì)南益華科技有限公司；

差式掃描量熱儀：DSC204F1，瑞士梅特勒-托利多；

擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)：GJC，承德精密試驗機(jī)有限公司。

2.3 實驗方法

將己內(nèi)酰胺和耐磨劑加入反應(yīng)釜中，熱至己內(nèi)酰胺熔融，抽真空脫水（真空度-0.1MPa），10min后停止抽真空，加入催化劑NaOH，繼續(xù)抽真空脫水，溫度控制在135±5℃，15min后停止抽真空，加入活化劑TDI，倒入已預(yù)熱150-160℃的模具中（進(jìn)行蝸輪產(chǎn)品的制作，模具內(nèi)放置預(yù)熱好的金屬輪轂），10min后脫模，冷卻至室溫，在140-170℃環(huán)境中油煮6小時，根據(jù)要求，加工成試樣。

2.4 檢測方法

拉伸強(qiáng)度，按GB/T1040-2008測試，室溫，拉伸速率50mm/min;

彎曲強(qiáng)度，按GB/T9341-2008測試，速率2mm/min;

沖擊強(qiáng)度，按GB/T1043.1-2006測試；

壓縮強(qiáng)度（25%應(yīng)變），按GB/T1041-2008測試；

摩擦系數(shù)、磨損量，按GB/T3960-1983測試，加載力196N，轉(zhuǎn)速200r/min；

結(jié)晶度、熔點，按ASTMD1418-12測試，升降溫速率10℃/min，載氣流速50mL/min。

吸水率：產(chǎn)品本體取樣，稱其重量W0，將樣條置于120℃烘箱24h后，恒重，再次稱量樣條重量W，計算塑膠件吸水率（W0-W)/W ×100%。

3 結(jié)果與討論

3.1 水煮對EPS蝸輪材料力學(xué)性能的影響

通過水煮，EPS蝸輪材料由于分子結(jié)構(gòu)中存在親水基團(tuán)，材料會吸水，達(dá)到一定的吸水率。表1反映的是材料的吸水率對其力學(xué)性能的影響。從表1中可以看出，隨著吸水率的增加，材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度均逐漸降低，而沖擊強(qiáng)度逐漸的增加。其主要原因是由于材料吸水之后，水在材料中起到增塑劑的作用，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，材料的韌性增加。

3.2 水煮對EPS蝸輪材料耐磨性能的影響

圖1是EPS蝸輪材料隨著吸水率的增加摩擦系數(shù)的變化趨勢圖。

圖2是材料的質(zhì)量磨損隨著吸水率的增加的變化趨勢圖。

從圖1、2中可以看出，隨著材料吸水率的增加，材料的摩擦系數(shù)是逐漸增加的，但是增加的幅度不大；材料的磨損基本不變。結(jié)果表明：隨著材料吸水率的增加，其耐磨性變化不大。

3.3 水煮對EPS蝸輪產(chǎn)品性能的影響

3．3．1 水煮時間對蝸輪產(chǎn)品吸水率的影響

圖3與表2反應(yīng)的是蝸輪產(chǎn)品水煮時間與含水率、尺寸變化的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著水煮時間的增大，蝸輪產(chǎn)品的內(nèi)部含水率與外部含水率均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。蝸輪產(chǎn)品的塑膠材料是鑄型尼龍。鑄型尼龍在空氣中（23℃，50%RH）的平衡吸水率為2.0%，在水中的飽和吸水率為7.0%。通過水煮，水煮6小時，蝸輪材料的外層吸水率已經(jīng)基本達(dá)到空氣中的平衡值，蝸輪產(chǎn)品的吸水膨脹的風(fēng)險消除。

表1 吸水率對EPS蝸輪材料性能的影響

圖1 EPS蝸輪吸水率對摩擦系數(shù)的影響

圖3 蝸輪含水率與水煮時間，尺寸變化率的關(guān)系

圖2 EPS蝸輪吸水率對磨損的影響

3．3．2 水煮時間對蝸輪產(chǎn)品結(jié)晶度的影響

表3反映的是EPS蝸輪產(chǎn)品結(jié)晶度與熔點隨著蝸輪水煮時間的變化趨勢。從表中可以看出，隨著水煮時間的增加，其熔點變化較小，而結(jié)晶度有下降的趨勢，但是變化的幅度不大，說明水煮工藝不影響材料的分子鏈排布，從而對結(jié)晶度影響較小。

3．3．3 水煮時間對蝸輪產(chǎn)品硬度的影響

圖4是蝸輪產(chǎn)品硬度隨水煮時間的變化的趨勢圖。隨著水煮時間的增加，材料的吸水率增加，材料的強(qiáng)度會逐漸的降低。產(chǎn)品在水煮3個小時之后其邵D硬度與洛氏硬度基本趨于平衡。材料未水煮的時候，其邵D硬度為75.96，洛氏硬度為112.4，趨于平衡值的邵D硬度為65，洛氏硬度為98左右。

3.4 EPS蝸輪結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性的影響

3．4．1 EPS蝸輪高溫高濕度環(huán)境的尺寸穩(wěn)定性

表4反映的是EPS蝸輪結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品高溫尺寸穩(wěn)定性的影響。從表中可以看出，同樣結(jié)構(gòu)的蝸輪，水煮時間越長，其高溫高濕（85℃，RH85%）環(huán)境存放，尺寸變化量越小。水煮3小時與水煮6小時的高溫高濕環(huán)境存放，尺寸變化量相當(dāng)。隨著存放時間的延長，其尺寸變化量有增大的趨勢，主要是由于蝸輪在高溫高濕環(huán)境下吸水所致。隨著蝸輪輪轂尺寸的增大，其尺寸變化量逐漸變小。當(dāng)蝸輪輪轂外徑從64mm增加到75mm，其尺寸變化量縮減的幅度比較大。從試驗結(jié)果上來看，輪轂外徑達(dá)到75mm時，不水煮狀態(tài)蝸的尺寸穩(wěn)定性比輪轂時64mm時，水煮6小時的狀態(tài)還要好。

表2 蝸輪含水率與水煮時間，尺寸變化率的關(guān)系

表3 水煮時間對EPS蝸輪材料熔點、結(jié)晶度的影響

表4 EPS蝸輪結(jié)構(gòu)對高溫高濕環(huán)境尺寸穩(wěn)定的影響

圖4 蝸輪含水率與水煮時間的關(guān)系

3．4．2 EPS 蝸輪低溫尺寸穩(wěn)定性

表5反映的是EPS蝸輪結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品低溫尺寸穩(wěn)定性（-40℃）的影響。從下表中可以看出，水煮對蝸輪產(chǎn)品低溫尺寸幾乎沒有影響，但是當(dāng)EPS蝸輪的外徑從64mm增加到75mm時，其低溫的收縮量從0.306mm降低到0.239mm。增加輪轂結(jié)構(gòu)可以提高蝸輪產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，其主要原因是金屬材料的線性膨脹系數(shù)遠(yuǎn)比塑膠材料小。通過增加金屬輪轂的外徑比例，可以提高蝸輪產(chǎn)品的低溫尺寸穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

鑄型尼龍EPS蝸輪采用的的是陰離子聚合的方法制備而得。材料的耐磨性好，尺寸穩(wěn)定性好，但是對于蝸輪蝸桿配合間隙要求高的工況，仍然需要進(jìn)行工藝與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。本文研究了水煮工藝對材料及蝸輪產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明：隨著材料吸水率的增加，材料的強(qiáng)度逐漸降低，材料耐磨性有降低的趨勢，但是變化量很少。蝸輪產(chǎn)品進(jìn)行水煮工藝，水煮6小時，材料的吸水率基本達(dá)到平衡，綜合性能表現(xiàn)良好。研究了輪轂與蝸輪毛坯外徑的結(jié)構(gòu)對蝸輪尺寸穩(wěn)定性的影響。隨著輪轂外徑的增大，產(chǎn)品的高溫高濕及低溫環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性得到有效的改善。

表5 EPS蝸輪結(jié)構(gòu)對低溫尺寸穩(wěn)定性的影響