CN110748606B - 一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动车减速齿轮技术领域，尤其涉及一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统。其包括中心轮，若干规格一致、且分别与所述中心轮啮合的行星轮，以及一与所述行星轮啮合的齿圈；所述中心轮、行星轮以及齿圈分别为石墨烯纳米片自润滑塑料制成的一体成型体。其中，石墨烯纳米片自润滑塑料采用边缘氧化石墨烯纳米微片和工程塑料为主要原料，使得齿轮系统具有自润滑、高强度、强耐磨、无声、耐高温、不变形、质量轻的特点，且成本低廉、适用范围广、实用性强。

Description

一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统
技术领域
本发明涉及电动车减速齿轮技术领域，尤其涉及一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统。
背景技术
随着环境污染的日益严重，人们的环保意识不断提高，低碳、绿色逐渐成为生活的主流，二轮电动车以其轻便、省力越发成为人们的重要出行工具，电动车简而言之就是以电力为驱动，以电力为能源的车子。二轮电动车中最为重要的系统之一即为速度控制系统，随着二轮电动车的普及，其速度控制系统也得到了长足的发展。
其中，减速器是速度控制系统中的重要传动装置，其主要用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。减速器中，行星齿轮传动具有传动比准确，可用的传动比、圆周速度和传递功率的范围都很大，以及传动效率高，使用寿命长，结构紧凑，工作可靠等一系列优点。因此可被用作二轮电动车齿轮系统中的减速齿轮结构。
现有的用于行星齿轮传动结构中的齿轮通常为金属材质，金属齿轮存在重量重、噪音大、传动不稳定等问题，且金属齿轮受加工精度影响，具有一致性差、易磨损、易受热胀冷缩的问题，会影响传动精度和使用寿命，尤其轴孔处极易磨损。
现有技术中，为了减少齿轮的磨损，常在通常通过液压供给装置向行星齿轮输送润滑油，例如申请号为CN201620293711.7的一种行星齿轮箱中的强制润滑油路结构中，行星齿轮箱中至少包括一组行星轮系，强制润滑油路的入口设于箱体上，每组行星轮系设有独立的强制润滑油路，在各独立的强制润滑油路中，行星架轴承座和行星架中均设有内润滑油路，强制润滑油路的入口与行星架轴承座内润滑油路之间设有金属油管，行星架轴承座的内润滑油路与行星架的内润滑油路之间通过分油座和滑环与之对接， 行星架中的内润滑油路由行星轮轴承润滑油路和太阳轮啮合齿面喷射油路组成，其中，行星轮轴承润滑油路的终点位于各行星轮轴，为行星轮轴承提供润滑，太阳轮啮合齿面喷射油路的终点位于行星架的前后辐板之间的各连接块，连接块上设有指向太阳轮啮合齿面的喷油口。通过外加润滑结构对齿轮进行润滑减损，在使用时不仅需要经常加油，而且如果将其运用在二轮电动车上，会具有体积过大的的问题。
发明内容
本发明要解决上述问题，提供一种具有自润滑效果的石墨烯润滑塑料构成的二轮车电动车齿轮系统。
本发明解决问题的技术方案是，提供一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，包括中心轮，若干规格一致、且分别与所述中心轮啮合的行星轮，以及一与所述行星轮啮合的齿圈；所述中心轮、行星轮以及齿圈分别为石墨烯纳米片自润滑塑料制成的一体成型体。
其中，所谓一体成型体即为是各个齿轮均是通过原料一次性全部加工出来的，不是通过其他黏结、焊接等连接方式拼接而成的。这种一体成型体的制备工艺可以是注射成型：其原理是将粒状或粉状的原料加入到注射机的料斗里，原料经加热熔化呈流动状态，在注射机的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，在模具型腔内硬化定型；也可以是模压成型：将原料在已加热到指定温度的模具中加压，使原料熔融流动并均匀地充满模腔，在加热和加压的条件下经过一定的时间，使原料形成制品以及其他常用的成型工艺。
优选地，按照质量份，所述石墨烯纳米片自润滑塑料包括边缘氧化石墨烯纳米微片13-16份、工程塑料85-95份、分散剂1-4份以及改性助剂0.5-2份。
其中，工程塑料英文名为：engineering-plastics，工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料工程塑料是指在工程中做结构材料的塑料，这类塑料一般具有较高机械强度，或具备耐高温、耐腐蚀、耐磨性等良好性能，因而可代替金属做某些机械零件。常热塑性工程塑料的性能和应用也很多，如聚酰胺、聚四氟乙烯、ABS塑料、聚甲醛、聚碳酸酯等。
优选地，所述工程塑料选自聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）以及聚甲醛（POM）中的一种或几种。
边缘氧化石墨烯纳米微片是指边缘被氧化、层状结构内部保留了石墨原有共轭结构的石墨烯纳米片。
优选地，所述边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
（1）将浓硫酸和石墨烯纳米微片混合，冰盐浴冷却至0℃以下；
此为前准备步骤，低温下硫酸的氧化性不高，难以对石墨进行插层反应。
（2）加入高锰酸钾，体系升温至30-40℃，搅拌2-3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
当加入高猛酸钾后，体系的氧化能力得到一定程度的提高，石墨层的边缘首先被氧化，部分碳原子失去电子变成正离子，硫酸氢根离子和具有极性的硫酸分子通过静电力吸附在石墨片层的边缘，这些通过静电力吸附在石墨片层边缘的硫酸根离子和硫酸分子与石墨烯正离子形成硫酸-石墨边缘复合物。随着高锰酸钾的添加，体系温度升高，此时高猛酸钾的强氧化作用使得不充分氧化的硫酸-石墨边缘复合物进一步氧化。
（3）加入去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
残留的浓硫酸与水作用使混合液的温度迅速升高，剩余未氧化的硫酸-石墨边缘复合物发
生水解。
（4）将滤饼超声20-40min后，以12000-15000r/min的转速离心3-5min，得黑色粉末于60-80℃下真空干燥18-30h。
优选地，所述石墨烯纳米微片以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比（40-60）：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000-2500r/min下研磨8-10h得到。
采用磁场驱动替代滚动、搅拌、气流冲击等传统的机械驱动方式，利用微小尺寸、高强福度及大作用面积的钢针袋替代钢球、玛瑙球等研磨介质，在磁场的高频转换下，钢针飞速旋转，所产生的剪切力、碰撞力和摩擦力可有效对石墨材料进行厚度和粒径上的减小，从而得到纳米尺度的石墨烯材料。同时，采用双氧水为研磨介质，双氧水可分解产生氧气和水，可对石墨边缘进行微氧化。
优选地，所述助剂包括润滑剂和抗氧剂。
优选地，所述分散剂选自硬脂酸钙或双硬脂酸酰胺中的一种或多种。
优选地，所述润滑剂选自聚四氟乙烯、聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酰胺中的一种或多种。
优选地，所述抗氧剂选自四季戊四醇酯或四双膦酸酯中的一种。
优选地，所述石墨烯纳米片自润滑塑料由以下步骤制备：
（1）按照质量份，将边缘氧化石墨烯纳米微片与分散剂混合后于100-120℃下超声分散0.5-1h，然后于pH为4-5、温度为60-70℃的条件下搅拌30-45min，得到组分A；
（2）按照质量份，将工程塑料以及助剂混合后，于pH为8-10、温度为60-80℃的条件下搅拌1-2h，得到组分B；
（3）将组分B加入组分A中，静置2-3h后，调节pH为8-9，然后搅拌10-20min得到产物C；
（4）将产物C送入平行双螺杆造粒机，熔融共混挤出，经过水冷拉条、风干制得所述石墨烯纳米片自润滑塑料。
本发明的有益效果：
1.以石墨烯纳米片自润滑塑料作为行星齿轮结构中各个齿轮的材质，具有自润滑、高强度、强耐磨、无声、耐温、不变形、质量轻的特点，且成本低廉、适用范围广、实用性强。
2.石墨烯纳米片自润滑塑料采用边缘氧化石墨烯纳米微片和工程塑料作为主要组分，边缘氧化石墨烯纳米微片不同于传统的氧化石墨烯，其边缘因其层状结构边缘被氧化而形成了褶皱状、而层状结构内部较为光滑平坦。其通过边缘氧化生产的羟基、羰基、羧基、环氧键等基团与工程塑料进行共价结合，而内部保留了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，为齿轮系统提供了优异的机械强度以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，并对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，包括中心轮，若干规格一致、且分别与中心轮啮合的行星轮，以及一与行星轮啮合的齿圈。使用时，中心轮与驱动结构连接，驱动结构的转速经过行星轮传动到齿圈后，齿圈的转速相对于中心轮降低，中心轮、行星轮和齿圈形成行星轮减速结构，能够有效实现减速功能。
由于中心轮、行星轮和齿圈两两之间通过齿件啮合，一方面在长期使用过程中，容易发生磨损导致减速齿轮的失效，另一方面为了提高中心轮、行星轮和齿圈之间的传动顺畅性，本申请中，中心轮、行星轮以及齿圈分别为石墨烯纳米片自润滑塑料制成的一体成型体。
这种石墨烯纳米片自润滑塑料，按照质量份，包括边缘氧化石墨烯纳米微片15份，工程塑料90份、分散剂3份以及改性助剂1份。其中，工程塑料选用聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）以及聚甲醛（POM）的等质量比混合物，分散剂选用硬脂酸钙和双硬脂酸酰胺的等质量比混合物，改性助剂选用乙撑双硬脂酰胺0.5份和四季戊四醇酯0.5份。
其中，边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比50：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2200r/min下研磨9h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以25mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的3倍的高锰酸钾，体系升温至35℃，搅拌2.5h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积6倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声30min后，以13000r/min的转速离心4min，得黑色粉末于70℃下真空干燥24h得到边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯纳米片自润滑塑料由以下步骤制备：
（1）按照质量份，将边缘氧化石墨烯纳米微片与分散剂混合后于110℃下超声分散0.8h，然后于pH为4.5、温度为65℃的条件下搅拌40min，得到组分A；其中，采用柠檬酸调节pH。
（2）按照质量份，将工程塑料以及助剂混合后，于pH为9、温度为75℃的条件下搅拌1.5h，得到组分B；其中，采用三乙醇胺调节pH。
（3）将组分B加入组分A中，静置2.5h后，采用三乙醇胺调节pH为8.5，然后搅拌15min得到产物C；
（4）将产物C送入平行双螺杆造粒机，熔融共混挤出，经过水冷拉条、风干制得石墨烯纳米片自润滑塑料。
然后将石墨烯纳米片自润滑塑料通过注塑成型的方式制备得到各个齿轮即可。
将制备得到的中心轮、行星轮以及齿圈组装后，将中心轮套设于电机驱动轴，齿圈与负荷连接，开启电机持续运行12h、24h、48h后，采用公法线千分尺测量齿廓的公法线长度变化，计算磨损率，检测结果如下表1。
实施例2
本实施例与上述实施例1基本相同，其不同之处仅在于石墨烯纳米片自润滑塑料的组分和制备方法不同，其相同之处不再详细描述。
这种石墨烯纳米片自润滑塑料，按照质量份，包括边缘氧化石墨烯纳米微片13份、工程塑料85份、分散剂1份以及改性助剂0.5份。其中，工程塑料选用聚酰胺（PA），分散剂选用硬脂酸钙1份，改性助剂选用四双膦酸酯。
其中，边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比40：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000r/min下研磨8h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以20mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的2.5倍的高锰酸钾，体系升温至30℃，搅拌2h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积5倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声20min后，以12000r/min的转速离心3min，得黑色粉末于60℃下真空干燥18h。
准备好上述原料后，石墨烯纳米片自润滑塑料由以下步骤制备：
（1）按照质量份，将边缘氧化石墨烯纳米微片与分散剂混合后于100℃下超声分散0.5h，然后于pH为4、温度为60℃的条件下搅拌30min，得到组分A；
（2）按照质量份，将工程塑料以及助剂混合后，于pH为8、温度为60℃的条件下搅拌1h，得到组分B；
（3）将组分B加入组分A中，静置2h后，调节pH为8，然后搅拌10min得到产物C；
（4）将产物C送入平行双螺杆造粒机，熔融共混挤出，经过水冷拉条、风干制得石墨烯纳米片自润滑塑料。
然后将石墨烯纳米片自润滑塑料通过吸塑成型的方式制备得到各个齿轮即可。
将制备得到的中心轮、行星轮以及齿圈组装后，将中心轮套设于电机驱动轴，齿圈与负荷连接，开启电机持续运行12h、24h、48h后，采用公法线千分尺测量齿廓的公法线长度变化，计算磨损率，检测结果如下表1。
实施例3
本实施例与上述实施例1基本相同，其不同之处仅在于石墨烯纳米片自润滑塑料的组分和制备方法不同，其相同之处不再详细描述。
这种石墨烯纳米片自润滑塑料，按照质量份，包括边缘氧化石墨烯纳米微片16份，工程塑料95份、分散剂4份以及改性助剂2份。其中，工程塑料选用聚碳酸酯（PC），分散剂选用双硬脂酸酰胺，改性助剂选用聚乙烯蜡1份和四季戊四醇酯1份。
其中，边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比60：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2500r/min下研磨10h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以30mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的3.5倍的高锰酸钾，体系升温至40℃，搅拌3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积7倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声40min后，以15000r/min的转速离心4min，得黑色粉末于80℃下真空干燥30h得到边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯纳米片自润滑塑料由以下步骤制备：
（1）按照质量份，将边缘氧化石墨烯纳米微片与分散剂混合后于120℃下超声分散1h，然后于pH为5、温度为70℃的条件下搅拌45min，得到组分A；其中，采用柠檬酸调节pH。
（2）按照质量份，将工程塑料以及助剂混合后，于pH为10、温度为80℃的条件下搅拌2h，得到组分B；其中，采用三乙醇胺调节pH。
（3）将组分B加入组分A中，静置3h后，采用三乙醇胺调节pH为9，然后搅拌20min得到产物C；
（4）将产物C送入平行双螺杆造粒机，熔融共混挤出，经过水冷拉条、风干制得石墨烯纳米片自润滑塑料。
然后石墨烯纳米片自润滑塑料通过注射成型的方式制备得到各个齿轮即可。
将制备得到的中心轮、行星轮以及齿圈组装后，将中心轮套设于电机驱动轴，齿圈与负荷连接，开启电机持续运行12h、24h、48h后，采用公法线千分尺测量齿廓的公法线长度变化，计算磨损率，检测结果如下表1。
对比例1
本对比例中的石墨烯纳米片自润滑塑料，按照质量份，包括普通石墨烯纳米微片15份，工程塑料90份、分散剂3份以及改性助剂1份。其中，工程塑料选用聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）以及聚甲醛（POM）的等质量比混合物，分散剂选用硬脂酸钙和双硬脂酸酰胺的等质量比混合物，改性助剂选用乙撑双硬脂酰胺0.5份和四季戊四醇酯0.5份。普通石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比50：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2200r/min下研磨9h得到石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯纳米片自润滑塑料由以下步骤制备： 将各个组分混合均匀后送入平行双螺杆造粒机，熔融共混挤出，经过水冷拉条、风干制得石墨烯纳米片自润滑塑料。
然后将石墨烯纳米片自润滑塑料通过注塑成型的方式制备得到各个齿轮即可。
将制备得到的中心轮、行星轮以及齿圈组装后，将中心轮套设于电机驱动轴，齿圈与负荷连接，开启电机持续运行12h、24h、48h后，采用公法线千分尺测量齿廓的公法线长度变化，计算磨损率，检测结果如下表1。
对比例2
选用普通金属材质的、与上述齿轮规格一致的中心轮、行星轮以及齿圈，组装后，将中心轮套设于电机驱动轴，齿圈与负荷连接，开启电机持续运行12h、24h、48h后，采用公法线千分尺测量齿廓的公法线长度变化，计算磨损率，检测结果如下表1。
表1
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本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：包括中心轮，若干规格一致、且分别与所述中心轮啮合的行星轮，以及一与所述行星轮啮合的齿圈；所述中心轮、行星轮以及齿圈分别为石墨烯纳米片自润滑塑料制成的一体成型体，所述石墨烯纳米片自润滑塑料包括边缘氧化石墨烯纳米微片13-16份、工程塑料85-95份、分散剂1-4份以及改性助剂0.5-2份。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述工程塑料选自聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）以及聚甲醛（POM）中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
（1）将浓硫酸和石墨烯纳米微片混合，冰盐浴冷却至0℃以下；
（2）加入高锰酸钾，体系升温至30-40℃，搅拌2-3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
（3）加入去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
（4）将滤饼超声20-40min后，以12000-15000r/min的转速离心3-5min，得黑色粉末于60-80℃下真空干燥18-30h。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述石墨烯纳米微片以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比（40-60）：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000-2500r/min下研磨8-10h得到。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述助剂包括润滑剂和抗氧剂。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述分散剂选自硬脂酸钙或双硬脂酸酰胺中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述润滑剂选自聚四氟乙烯、聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酰胺中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述抗氧剂选自四季戊四醇酯或四双膦酸酯中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯润滑塑料构成的二轮电动车齿轮系统，其特征在于：所述石墨烯纳米片自润滑塑料由以下步骤制备：
（1）按照质量份，将边缘氧化石墨烯纳米微片与分散剂混合后于100-120℃下超声分散0.5-1h，然后于pH为4-5、温度为60-70℃的条件下搅拌30-45min，得到组分A；
（2）按照质量份，将工程塑料以及助剂混合后，于pH为8-10、温度为60-80℃的条件下搅拌1-2h，得到组分B；
（3）将组分B加入组分A中，静置2-3h后，调节pH为8-9，然后搅拌10-20min得到产物C；
（4）将产物C送入平行双螺杆造粒机，熔融共混挤出，经过水冷拉条、风干制得所述石墨烯纳米片自润滑塑料。
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