Шестерни из капролона: когда можно заменить сталь

Капролоновая шестерня работает в паре со стальной

Среди пластиков литой полиамид для зубчатых колёс один из самых прочных, но по прочности зуба он в разы уступает стали. Производитель литого ПА 6 Mitsubishi Chemical Advanced Materials в руководстве по проектированию пишет осторожно: прямая замена возможна во многих случаях, особенно вместо шестерён из цветных металлов, чугуна и незакалённой стали (руководство просмотрено 21.10.2026). Закалённую шестерню силового редуктора капролон не заменяет.

Пару производитель советует делать так: пластиковая шестерня зацепляется с металлической. Металл отводит тепло из зацепления, а износ пластика задаёт поверхность ответной шестерни, поэтому её зубья доводят до шероховатости Ra 0,2–0,4 мкм. Обе шестерни из одного пластика не делают; если металл в паре невозможен, берут разнородные материалы, например литой ПА 6 с полиацеталем.

В капролон выгоднее переводить ведомую шестерню большего диаметра, а стальной оставлять шестерню на валу двигателя. Окружная сила на зубьях обеих шестерён пары одинакова, но у большой шестерни выше коэффициент формы зуба (по таблице MCAM 0,66 при 40 зубьях против 0,57 при 24), меньше циклов нагружения за час работы и больше масса, которую выигрывает пластик: плотность литого ПА 6 около 1,15 г/см³ против 7,84 у стали, разница в 6,8 раза.

Допустимый момент считают по изгибу зуба

Методика MCAM для прямозубых шестерён из литого полиамида построена на усталостных испытаниях. Сначала считают базовый момент по изгибу зуба, затем умножают его на четыре поправки: материал и смазка, скорость, число циклов, температура. В метрических единицах базовая окружная сила равна σ × b × Y × m, где σ допустимое напряжение изгиба по таблице производителя, b ширина венца, Y коэффициент формы зуба, m модуль. Момент равен этой силе, умноженной на радиус делительной окружности.

Пример: шестерня модуля 3 с 40 зубьями, делительный диаметр 120 мм, ширина 30 мм, угол зацепления 20°. Коэффициент формы зуба по таблице MCAM около 0,66. Для модуля 3 ближайшая строка таблицы напряжений (шаг 8 зубьев на дюйм, модуль 3,2) даёт 2 870 psi, около 19,8 МПа. Базовая сила 19,8 × 30 × 0,66 × 3 ≈ 1 176 Н, базовый момент 1 176 × 0,06 ≈ 70,5 Н·м.

Итог: 70,5 × 0,49 × 1,38 ≈ 47,7 Н·м. На 100 об/мин это около 0,5 кВт передаваемой мощности. Скоростную поправку для 0,63 м/с мы взяли по нижней строке таблицы, потому что для меньших скоростей производитель значений не даёт; это допущение расчёта.

Какой момент выдерживает шестерня из капролона?

Шестерня из капролона модуля 3 с 40 зубьями и шириной венца 30 мм без смазки при 100 об/мин и температуре до +38 °C выдерживает около 48 Н·м по методике MCAM для литого ПА 6. С периодической смазкой допустимый момент растёт почти вдвое, до 91 Н·м, а при нагреве до +60 °C падает до 25 Н·м. Для своей шестерни момент пересчитывают по модулю, числу зубьев, ширине, оборотам и температуре.

Смазка и нагрев меняют момент вдвое

Поправка на материал у литого ПА 6 зависит от смазки сильнее, чем от марки: 0,49 без смазки, 0,94 при периодической смазке и 1,26 при постоянной. Температурная поправка начинается с +38 °C и для литых марок падает быстро: множитель равен 1 / (1 + 0,022 × (T − 100)), где T температура в градусах Фаренгейта.

Практический вывод из таблицы: смазка даёт больше, чем любая смена марки. Шестерня, которая не держит момент всухую, часто проходит расчёт с консистентной смазкой раз в смену. Для тихоходной передачи без смазки есть второй путь, маслонаполненный ПА 6: маслонаполненный капролон снижает трение и износ, но прочность зуба не повышает. С постоянной смазкой литой полиамид по данным MCAM работает до окружной скорости 20–30 м/с.

Ресурс тоже входит в расчёт. При 30 млн циклов поправка 0,88–0,89, при 1 млн около 1,3. Год работы в одну смену на 100 об/мин даёт около 12 млн циклов, три года около 36 млн, больше последней строки таблицы. К этому сроку допустимый момент ниже расчётного на 11 % и больше, поэтому для узла, который ставят надолго, число циклов закладывают в расчёт сразу.

Модуль и профиль зуба выбирают под пластик

Для новой передачи производитель советует угол зацепления 20° с полной высотой зуба и полным радиусом у основания. По данным MCAM такой профиль даёт примерно на 15 % больше нагрузки, чем профиль 14,5°, и примерно в 3,5 раза больше ресурс при той же нагрузке. При замене старой шестерни профиль задаёт ответная стальная, и менять его нельзя.

Второй совет менее очевидный: брать самый мелкий зуб, который ещё держит нагрузку. Мелкий зуб меньше проскальзывает в зацеплении и меньше греет шестерню, а для пластика нагрев опаснее, чем для стали. Острые внутренние углы на ступице и спицах скругляют радиусом не меньше 1 мм: полиамид чувствителен к надрезу, и трещина начинается именно от угла.

Боковой зазор делают не меньше 0,1 модуля

Самую частую ошибку при переводе шестерни из металла в пластик MCAM называет прямо: недостаточный боковой зазор. Полиамид расширяется от нагрева в зацеплении и от температуры цеха в несколько раз сильнее стали, и зазор стальной пары он выбирает полностью. Производитель предлагает закладывать боковой зазор 0,1 модуля: для модуля 3 это 0,3 мм. После сборки зазор проверяют, провернув пластиковую шестерню на полный оборот.

Влага добавляет набухание. По словам производителя, точёные шестерни обычно толстостенные и набирают воду медленно, и увеличенный зазор чаще всего компенсирует и рост от влаги. Насыщение литого ПА 6 водой по паспорту MCAM 6,5 %, поэтому для узла, который постоянно в воде, зазор считают отдельно или берут полиацеталь с насыщением около 0,8 %.

Какой боковой зазор нужен шестерне из капролона?

Шестерне из капролона в паре со стальной нужен боковой зазор не меньше 0,1 модуля, по рекомендации производителя литого полиамида MCAM: для модуля 2 это 0,2 мм, для модуля 3 это 0,3 мм. Зазор стальной пары мал, потому что пластик расширяется от нагрева в зацеплении и набухает от влаги. Зазор проверяют после сборки, провернув капролоновую шестерню на полный оборот, без заеданий по всей окружности.

Шпонка рвёт капролоновую ступицу раньше зубьев

В расчёте зуба шестерня из примера держит 47,7 Н·м, но этот момент ещё надо передать на вал. Допустимое напряжение смятия шпоночного паза в литом ПА 6 по таблице MCAM 10–14 МПа в зависимости от марки. Пример: вал 30 мм, шпонка 8 × 7, глубина паза в ступице 3,3 мм, длина ступицы 30 мм. Площадь боковой грани паза 3,3 × 30 = 99 мм², средний радиус около 16,7 мм. Паз передаст 99 × 16,7 × 10 ≈ 16 500 Н·мм, то есть около 16,5 Н·м.

Это втрое меньше, чем выдерживают зубья. Под 47,7 Н·м при 10 МПа нужно около 290 мм² боковой грани, а на ступице длиной 30 мм столько дают только три шпонки. Поэтому для нагруженных шестерён производитель перечисляет другие способы крепления:

• литьё или напрессовка капролонового венца на металлическую ступицу;
• металлическая ступица, стянутая болтами через венец, для штучных и средних партий;
• посадка на шлицевой или накатанный вал, но только для малых моментов;
• стопорный винт, тоже для малых моментов;
• шпоночный паз, когда шестерня должна остаться целиком пластиковой.

Углы шпоночного паза в капролоне скругляют радиусом 0,4–0,8 мм. Острый угол паза надрезает полиамид, и трещина от него идёт к зубьям.

Дерево решения сводит выбор к капролону, венцу на стальной ступице или металлу

Первый вопрос дерева: проходит ли момент по зубу с поправками на смазку, скорость, ресурс и температуру. Если нет даже со смазкой, шестерня остаётся металлической или переходит на больший модуль и ширину. Если момент проходит, второй вопрос касается крепления: шпонка в пластике держит меньше, чем зуб. Когда паз не выдерживает, ставят металлическую ступицу с капролоновым венцом. Третий вопрос про воду: в постоянно мокром узле капролон уступает полиацеталю.

Шестерню по изношенному образцу восстанавливают по ответной

Чаще всего капролоновую шестерню заказывают взамен изношенной, и чертежа нет. Изношенные зубья тоньше исходных, поэтому толщину зуба по образцу не снимают. Модуль определяют по числу зубьев и диаметру вершин: m = dа / (z + 2). Пример: 40 зубьев и диаметр вершин 126 мм дают модуль 3. Если вершины стёрты, модуль проверяют по межосевому расстоянию: a = m × (z1 + z2) / 2.

Для заказа по образцу нужны: число зубьев обеих шестерён, диаметр вершин, ширина венца, межосевое расстояние, отверстие и шпоночный паз или шлицы, направление и угол наклона зуба, если шестерня косозубая. Ответная стальная шестерня или её фото с замером дают профиль точнее, чем стёртая пластиковая. Если образец долго работал в воде или масле, он набух и больше исходного; это отмечают в заявке, иначе новая шестерня повторит набухший размер. Снятие размеров и чертёж по образцу бесплатны при заказе от 9 000 ₽ с НДС, а зубья точат и фрезеруют при механической обработке капролона.

Как заказать шестерню из капролона по изношенному образцу?

Шестерню из капролона по изношенному образцу заказывают с данными о зацеплении, а не только с самой деталью. Нужны число зубьев обеих шестерён, диаметр вершин, ширина венца, межосевое расстояние и посадка на вал. Модуль считают как диаметр вершин, делённый на число зубьев плюс два. Толщину зуба берут по ответной стальной шестерне, потому что зубья изношенного пластикового образца тоньше исходных.

Первая шестерня проверяется в узле до заказа партии

Расчёт MCAM даёт допустимый момент с поправками, но фактическую нагрузку узла заказчик часто знает приблизительно: пусковые рывки, заедания, перегрузки при застревании продукта по паспорту привода не видны. Поэтому ресурс капролоновой шестерни по одному расчёту не обещают, а сначала ставят одну шестерню на пробу.

Проверка короткая. После сборки замеряют боковой зазор щупом по нескольким зубьям через полный оборот. Через час работы проверяют нагрев венца: если он заметно горячее корпуса редуктора, режим близок к пределу по температурной поправке. Через неделю и через месяц меряют толщину зуба штангензубомером или размер по общей нормали и сравнивают с исходным. Если износ укладывается в согласованный критерий, партию делают по тем же размерам; если нет, меняют ширину, смазку или крепление до запуска остальных. Условия проверки и результат записывают в КП и в карточку изделия, чтобы следующая партия шла с тем же зазором и той же маркой.

Расчёт шестерни начинается с момента на валу

Для расчёта момента нужны мощность или момент на валу, обороты, режим работы (часов в сутки, пуски, реверс), смазка, температура около передачи и вода или масло в узле. К ним добавляют геометрию: чертёж или образец с ответной шестерней. Чертёж принимаем в DXF, DWG, PDF или STEP, подойдёт и фото шестерни на листе А4 с линейкой рядом с ответной.

Если шестерня нужна сотнями штук в год, имеет смысл сравнить точение с литьём заготовки с зубьями; окупаемость зависит от выбора между литьём и мехобработкой капролона. Для зубчатых колёс берут марки литого полиамида из группы капролона и инженерных пластиков, а шестерни, звёздочки и венцы на металлической ступице входят в раздел деталей из инженерных пластиков. Если расчёт показывает, что пластик не проходит даже со смазкой, в КП это будет записано прямо, вместе с моментом, который получился.