一  塑膠大連齒輪優(yōu)缺點和應用

   相對金屬齒輪，塑料齒輪具有質(zhì)量輕、工作噪音小、耐磨損、無須潤滑、可以成型較復雜的形狀、大批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。但由于塑料本身具有收縮、吸水，相對金屬強度也比較弱，對工作環(huán)境要求高，對溫度較敏感等特性。因而，塑料齒輪同時就有精度低、壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點。隨著新材料的應用及制造技術(shù)的發(fā)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(yè)。

二  塑料齒輪的模具制造方法

由于塑料制品成型收縮，因此陰模尺寸要較制品尺寸大。

因而標準的齒輪制品意味著不標準的陰模尺寸。這就對陰模的制造提出了嚴格的要求。以下是常用的兩種陰模制造方法

1.先制作一母齒輪，然后通過鑄造、電火花加工、電鑄等方法制作母齒輪。如：渦輪、渦桿、錐齒輪。

2.不需母齒輪，直接線切割制作陰模。常用于正齒輪，斜齒輪。

2.1母齒輪的制作方法

前面所提，母模要比制品大，因此標準制品齒輪就必須由特殊母齒輪制作特殊的陰模。特殊的母齒輪就需特殊的切齒刀來加工。

通常方法：

（1）特殊模數(shù)的切齒刀具

（2）加上成型收縮率的余量用特殊壓力角的切齒道具

（3）加上成型收縮率的余量用標準切齒刀具

（4）不需添加余量用標準切齒刀具

以下是各種方法的詳細介紹

（1）特殊模數(shù)的切齒刀具

制作一個特殊模數(shù)的切齒刀具，其壓力角為標準壓力角。在制作這個切齒刀具時必須考慮到成型收縮率以及后面要講到的陰模制作法所規(guī)定的修正值，然后用這個特殊刀具來加工母齒輪。

假設要制作下面的成型齒輪時

 Z=30  m=1 d=m*Z=30mm 假設成型收縮率與根據(jù)陰模制作法所得到的修正值之和為2％。則要求母齒輪的各參數(shù)為 Z=30 m=1.02 d=m*z=30.6mm

根據(jù)這個方法制作出來的齒輪能得到比較正確的齒形 。但時間長，成本較高。

(2) 加上成型收縮率的余量用特殊壓力角的切齒道具

 加上成型收縮率的余量用標準的切齒刀具來制作母齒輪時會造成齒形的偏移，用節(jié)點上的壓力角的變化來表示的話如下公式所示。

 Cosa1=d1cosa2/d2 

 a1: 加工齒輪模型用的切齒刀具的壓力角

d1:  已經(jīng)考慮了收縮率的分度圓直徑（母齒輪的分度圓直徑）

 d1=d2/(1-s/100)  s:為收縮率

a2:標準齒輪的壓力角（一般為20度或者為14.5度）

d2:標準齒輪的分度圓直徑（制品的分度圓直徑）

所以

   cosa1=cosa2/(1-s/100)

現(xiàn)有一個壓力角為20度的制品齒輪，成型收縮率和所要的切齒刀具的壓力角之間的關(guān)系如下：

成型收縮率切齒刀具的壓力角

1％a1=18.34

2%a1=16.49

3%a1=14.36

4%a1=11.81

（3）加上、成型收縮率的余量用標準切齒刀具

加上一個相當于成型收縮率的余量 用與成型齒輪相同的模數(shù)、壓力角的標準切齒刀具制作母大連齒輪，這時制作出的母大連齒輪其壓力角常常比標準的大。但是由于使用的是標準工具，與（1）、（2）相比在交貨期及成本方面比較有利。如不存在壓力角的偏移問題時，這個方法比較簡單常常被采用。除周節(jié)誤差、壓力角誤差外，其它方面與（1）、（2）等方法沒有多大的差別。

（4）不需添加余量用標準切齒刀具

  由于模型齒輪的分度圓直徑中不含有成型收縮率，所以，成型齒輪的分度圓的直徑等于風度圓直徑減去成型收縮率。如果所用材料成型收縮率很小的話，以及分度圓本身很小，側(cè)此方法非常使用。

2.2齒輪模具陰模制作方法

（1）鈹銅合金鑄造法

 在運用鈹銅合金只制作法時，從鑄造性、硬度、強度等方面考慮一般采用含鈹量為2.5～2.75％的鈹銅合金。

由于鑄造時的收縮率為0.2～0.3％所以制作母模時需考慮進去。

為了便于脫模，模具上必須有1～2％的脫模斜度。

（2）電火花加工

 以母齒輪做電極用電火花加工法來制作陰模時，母齒輪制作除了要考慮制品收縮性，還要把放電間隙考慮進去。一般要進行粗放電加工和細放電加工，而粗公和精公需做在同一軸棒上。在放電加工時，電極垂直度須充分校正。電極材料可以為：Tcu CuW BsBm 。母齒輪的精度直接影響加工出來的型腔精度。在決定電火花加工間隙時必須考慮制品收縮率在內(nèi)。一般來說，底部型的加工間隙為0.05～0.12mm,穿孔型的加工間隙為0.03～0.06mm。另側(cè)壁錐度大約為0.2／100。

（3）線切割加工

  以銅絲或鎢絲來加工陰模，加工時須把材料的成型收縮率考慮進去。一般采用慢走絲切割，加工間隙一般為0.02～0.05mm?？杉庸ば饼X輪和正齒輪

（4）電鑄法加工

   將母模放入電解液中，使金屬成積到母模上至所需要厚度。母模的精度將決定電鑄模的精度，電鑄加工一般時間比較長。沉積離子一般為鎳離子。具體選擇哪種方法，取決于制品精度，模具成本和加工時間。按精度等級分：鑄造<電火花<線切割<電鑄2.3水口的選擇和型腔數(shù)量的確定

水口的位置和數(shù)量直接影響到制品的精度和同心度。一般來說 采用多針點式水口，3－6個平均分布在同一圓周上。齒輪外俓越大相對取量越多。直徑小于8mm的也會選單一水口。收口的大小與制品的厚度有關(guān)，盡可能采用大些的點水口。另，中心針的固定和分度圓的同心度也是相當重要的。型腔數(shù)量取決于制品的精度要求。最多不能超過4穴，每增加一穴，精度減少5％。另外，模具材料的選擇和水路及排氣的設計亦會影響制品精度。

 齒輪參數(shù)單一齒距誤差相臨齒距誤差累積齒距誤差法向齒距誤差齒形誤差

M=0.5,Z=40,B=3mm，a=20?j表1－2 PA66直齒圓柱齒輪注塑成型精度

齒輪參數(shù)陰模制作方法單一齒距誤差相臨齒

距誤差累積齒距誤差法向齒距誤差齒形誤差

M=0.5,Z=40,B=3mm，a=20?AJIS2JIS3JIS3*JIS5*JIS8

同上BJIS2JIS4JIS4JIS2JIS5

同上CJIS3JIS4JIS3JIS2JIS3

M=1,Z=40,B=10mm,a=20?DJIS3-4JIS4-5JIS4-5

M=1.5,z=40,b=7mm,a=20?EJIS4JIS5JIS3

M=2.5,Z=20,B=10mm,a=20?DJIS5JIS6JIS4

注： *記號誤差大是受壓力角誤差的影響

A：加上成型收縮率的余量，用壓力角為14.5? 的標準刀具制作母齒輪，然后采用電火花加工法來制作陰模。

B：將成型收縮率估計在內(nèi)的特殊模數(shù)刀具來制作母齒輪，然后采用電火花加工法來制作陰模。

C：采用線切割法制作陰模。

D：用將成型收縮率及鈹銅的成型收縮率估計在內(nèi)的特殊模數(shù)工具刀制作母齒輪，然后采用鈹銅合金鑄造法制作陰模。

E：加上成型收縮率的余量，用壓力角為20?的標準刀具制作母齒輪

影響齒輪精度的主要因素有；

陰模精度，注塑工藝，模具及制品結(jié)構(gòu) 。

當我們決定了制品的精度要求時，在找模具廠時要考核模具廠是否具備相當?shù)闹颇ＴO備和注塑設備及檢測設備，以及技術(shù)能力。

四  塑料齒輪副的結(jié)構(gòu)設計方法

齒料齒輪多應用于小功率精密傳動系統(tǒng)中，其傳遞的力矩相對較小，結(jié)構(gòu)非常緊湊。鑒于常用塑膠齒輪多為漸開線小模數(shù)（m<1）圓柱塑料齒輪，故本文以漸開線小模數(shù)齒輪為研究對象，主要從幾何參數(shù)的選擇、齒輪結(jié)構(gòu)設計和力學校核三方面介紹塑料齒輪副的參數(shù)設計的基本方法。

4.1齒輪參數(shù)設計

4 .11模數(shù)

   模數(shù)是輪齒抗彎曲能力的重要標志，塑料齒輪模數(shù)的選擇同樣需要考慮強度因素。由于塑料齒輪多用于小功率精密傳動系統(tǒng)中，故而可以采用“結(jié)構(gòu)定模數(shù)”的指導思想選擇模數(shù)。模數(shù)的選擇可以采用一下以下公式計算： m=2a／(z1+z2)

  m 為模數(shù)，單位為mm; a為設計中心距，單位為mm; z1,z2為嚙合齒輪副的齒輪齒數(shù)齒數(shù)。

4.12齒數(shù)

    模塑法加工塑料齒輪，不存在刀具和齒輪的成型加工運動，因此也就不會產(chǎn)生金屬齒輪加工中的“根切”現(xiàn)象。在保證齒輪嚙和輪不發(fā)生嚙和干涉的前提下，若僅考慮滿足連續(xù)傳動的條件，則對標準圓柱塑料齒輪（a=20度，ha=1）的最少齒數(shù)可以取到3 .

4.13 壓力角

   壓力角是作用線與節(jié)線相交所成的銳角，它放應了齒輪副的壓力作用方向。壓力角可取 20?、14.5?、15?、17.5?、22.5?、25?、和30?等。需要指出是增大壓力角對減小齒輪最少齒數(shù)有利。但減小傳動中的公差不利。因此，壓力角的選擇不能任意擴大和降低。在國家標準中一般規(guī)定

a=20?在塑料齒輪設計時，推薦使用a=20?另外，可以根據(jù)實際應用情況選擇其它壓力角值，一般為增大重合度較低噪音客選擇小的壓力角 ，為提高承載能力提高輪齒強度客選用大的壓力角。

4.14變位系數(shù)

  漸開線齒輪傳動的可分性是變位的理論依據(jù)。齒輪變位主要考慮四個因素：1.改善齒根強度，2.是調(diào)整裝配中心距，3.是利于修正齒形干涉 4.調(diào)整滑動慮實之接近或想等。另變位系數(shù)的選擇時要考慮與模數(shù)相結(jié)合，防止因變位系數(shù)過大導致齒形變形過大。一般來說變位系數(shù)的選取。范圍是：、-m/2～m/2 。原則是：小齒輪選正變位系數(shù)，大齒輪選負變位系數(shù)，兩者之和最好位正。

4.15齒頂高系數(shù)

在塑料齒輪設計時，齒頂高系數(shù)可以根據(jù)使用狀況選擇長齒制（ha>1），正常齒制（ha=1）和短齒制（ha<1）。長齒制利于提高齒輪副的重合度，降低噪音，提高承載能力；短齒制則重在提高齒根的彎曲強度。

4.16頂隙系數(shù)

   頂隙的主要作用是利于滑動油的流動，并避免兩齒之間的碰撞。在金屬小模數(shù)齒輪設計中規(guī)定頂隙系數(shù)為c=0.25。由于塑料齒輪多工作在無潤滑的環(huán)境中，而且某些齒輪具有自潤滑性能，故頂隙的選擇根據(jù)實際情況進行選擇，推薦頂隙系數(shù)的選擇范圍是：c=0.1~0.35 . 大模數(shù)選擇小頂隙系數(shù)。小模數(shù)選擇大頂隙系數(shù)。

4.17傳動質(zhì)量指標驗證

傳動質(zhì)量指標只要包括重和度和滑動率。在塑料齒輪副設計時，由于塑料是一種彈性體材料，它組合了固體的彈性和液體的黏性特征，在承載運動時，齒型變形受加載方式、溫度、濕度的影響較大，故而，推薦重合度適當取大一些，而滑動率數(shù)值比較接近即可。

4.18輪公差選取原則

目前，國內(nèi)對塑料大連齒輪精度還沒有成文的標準可以參考。在設計過程中，對齒輪公差（不含齒形檢測公差）的選擇多以經(jīng)驗為主。下面我們以表格的形式給出齒輪常用公差的選取原則，如表1所示。

塑料大連齒輪公差選取原則

尺寸名稱公差選取原則示例

齒頂圓直徑以負偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負值Da0/-0.05

齒頂圓跳動一般取0.05mm

公法線長度以負偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負值。Wk+0/-0.05

中心距以正偏差為主，即上偏差為正值，負偏差為0。 a0+0.05/0

注：（1）表中1~3的尺寸公差可參考JIS等相關(guān)的齒形精度標準；

（1）嚙合齒輪副中心距公差選取的主要目的是：在保證齒輪正確嚙合的前提下便于齒輪的裝配。此公差選取的經(jīng)驗公司為：ámin=a+0.05m，á為嚙合齒輪副的實際中心距；a為嚙合齒輪副的理論中心距；m為齒輪副模數(shù)。

4.2齒輪結(jié)構(gòu)設計

塑料齒輪本質(zhì)上是一塑膠結(jié)構(gòu)件，只是其主要功能用于動力與運動的傳遞。因此，塑料齒輪結(jié)構(gòu)必須遵循傳動零件設計和塑料結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設計兩個方面的規(guī)律進行綜合設計。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能不同，塑料齒輪可以分為傳動和輔助結(jié)構(gòu)兩大部分。其中，傳動部分是指輪齒，輔助部分包括輪櫞，腹板，輪和加強筋四本份。塑料齒輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.21輪齒設計

輪齒是實現(xiàn)傳動的重要工作部分，是整個齒輪的核心。輪齒設計應該注意兩個方面：一是齒形修正，二是平衡齒厚。

4.2齒形修正

  塑料齒輪采用模塑法家工時，齒形成型依靠模具型腔的形狀來保證。由于型腔多采用線切割方式加工，因此不存在金屬齒輪加工中的根切現(xiàn)象。但沒有根切并不意味著齒形不會產(chǎn)生干涉，所以要保證塑料齒輪擁有良好的嚙合齒廓就必須進行齒形的修正。這也是輪齒設計必須重視的問題。

4.23平衡齒厚

當兩個齒輪嚙合時，由于兩個齒輪齒數(shù)不等而模數(shù)和壓力角相等，導致計算出來的兩個齒輪齒根部分寬度相差特大。這樣在齒輪副承載運動時，齒根寬度較小的小齒輪成為該齒輪副的強度最弱處。為避免這一現(xiàn)象，我們可以通過調(diào)整變?yōu)橄禂?shù)和齒形修正等方法使兩個齒輪的齒根寬度比較接近或相等。若采用調(diào)整變位系數(shù)來調(diào)整平衡齒厚，則可以讓小齒輪正變位，大齒輪負變位來實現(xiàn)。這種平衡齒厚的塑料齒形在PGT塑料齒形中是常見的。

4.24輔助結(jié)構(gòu)設計

  塑料齒輪輔助結(jié)構(gòu)部分設計的指導原則是：在保證齒輪整體強度的前提下，力求整體結(jié)構(gòu)壁厚均勻，以利于注塑生產(chǎn)。為便于結(jié)構(gòu)設計，我們選取齒輪齒厚作為標稱壁厚（T），輔助結(jié)構(gòu)的壁厚都以標準壁厚為基準進行選擇。輔助結(jié)構(gòu)的壁厚選擇經(jīng)驗公司如表2所示。

表2塑料齒輪輔助結(jié)構(gòu)壁厚設計

名稱符號壁厚計算經(jīng)驗公式

輪緣厚度R R=(1.25~3)T

腹板厚度W最佳取值：W=R；若考慮強度因素，則W≦（1.25~3）R

輪設計H最佳取值：H=R；若考慮強度因素，則H≦（1.25~3）R

加強筋設計RbRb≈T

另外，塑料齒輪不同結(jié)構(gòu)過渡處圓角的取值也應考慮壁厚是否均勻的問題。對過渡處倒圓角時可以可以根據(jù)實際經(jīng)驗取值。一般：壁厚為t

則內(nèi)圓角R1=0.5t; 外圓角R2=1.5t。

4.2齒輪力學設計

齒輪力學設計主要是指對齒輪力學指標的校核計算。塑料齒輪主要有表面磨損、熱失效和輪齒過載折斷三種失效形式，由于塑料為粘彈性材料，溫度對塑料的強度等力學性能具有很大影響，故而溫度在塑料齒輪失效影響因素中占主導地位，所以塑料齒輪力學設計主要考慮兩個方面的因素：一是溫度，二是強度。

4.3溫度估算

塑料齒輪工作中熱量產(chǎn)生主要來源有兩個：一是摩擦生熱，二是滯后能耗生熱。對塑料齒輪工作時的輪齒溫度計算可以采用，Henri Yelle 提出的無了潤滑狀態(tài)輪齒溫度 計算公司：T=Ta+kwxvy, T 為輪齒溫度，Ta為周圍環(huán)境溫度，k、x、y 為材料相關(guān)系數(shù)，w、v代表切向力和節(jié)圓線速度。該方向是在綜合考慮速度、載荷和周圍環(huán)境的影響下給出的，可以用來估算塑料齒輪工作時齒輪的工作溫度。顯然，該方法計算出的溫度值偏大，但對設計而言是可以采用的。

4.4強度校核

由于塑料與金屬材料本質(zhì)上存在較大的差異，所以完全搬金屬齒輪的強度校核方法來校核塑料齒輪是不可取的。目前，對塑料齒輪強度校核的方法還為形成統(tǒng)一成熟的理論方法。在此，本文僅列出直齒圓柱齒輪的校核公式，以供大家設計參考。公式如下：