一  塑膠大連齒輪優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用

   相對(duì)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(rùn)滑、可以成型較復(fù)雜的形狀、大批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于塑料本身具有收縮、吸水，相對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度也比較弱，對(duì)工作環(huán)境要求高，對(duì)溫度較敏感等特性。因而，塑料齒輪同時(shí)就有精度低、壽命短、使用環(huán)境要求高等缺點(diǎn)。隨著新材料的應(yīng)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(zhǎng)，并廣泛應(yīng)用于儀器、儀表、玩具、汽車、打印機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的齒輪制品意味著不標(biāo)準(zhǔn)的陰模尺寸。這就對(duì)陰模的制造提出了嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)切齒刀具

（4）不需添加余量用標(biāo)準(zhǔn)切齒刀具

以下是各種方法的詳細(xì)介紹

（1）特殊模數(shù)的切齒刀具

制作一個(gè)特殊模數(shù)的切齒刀具，其壓力角為標(biāo)準(zhǔn)壓力角。在制作這個(gè)切齒刀具時(shí)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(gè)特殊刀具來加工母齒輪。

假設(shè)要制作下面的成型齒輪時(shí)

 Z=30  m=1 d=m*Z=30mm 假設(shè)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(gè)方法制作出來的齒輪能得到比較正確的齒形 。但時(shí)間長(zhǎng)，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(biāo)準(zhǔn)的切齒刀具來制作母齒輪時(shí)會(huì)造成齒形的偏移，用節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)齒輪的壓力角（一般為20度或者為14.5度）

d2:標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)切齒刀具

加上一個(gè)相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)切齒刀具制作母大連齒輪，這時(shí)制作出的母大連齒輪其壓力角常常比標(biāo)準(zhǔn)的大。但是由于使用的是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，這個(gè)方法比較簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(yùn)用鈹銅合金只制作法時(shí)，從鑄造性、硬度、強(qiáng)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(shí)的收縮率為0.2～0.3％所以制作母模時(shí)需考慮進(jìn)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(shí)，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(jìn)去。一般要進(jìn)行粗放電加工和細(xì)放電加工，而粗公和精公需做在同一軸棒上。在放電加工時(shí)，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(shí)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(shí)須把材料的成型收縮率考慮進(jìn)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(shí)間比較長(zhǎng)。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(shí)間。按精度等級(jí)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(diǎn)式水口，3－6個(gè)平均分布在同一圓周上。齒輪外俓越大相對(duì)取量越多。直徑小于8mm的也會(huì)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(diǎn)水口。另，中心針的固定和分度圓的同心度也是相當(dāng)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(shè)計(jì)亦會(huì)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)我們決定了制品的精度要求時(shí)，在找模具廠時(shí)要考核模具廠是否具備相當(dāng)?shù)闹颇ＴO(shè)備和注塑設(shè)備及檢測(cè)設(shè)備，以及技術(shù)能力。

四  塑料齒輪副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

齒料齒輪多應(yīng)用于小功率精密傳動(dòng)系統(tǒng)中，其傳遞的力矩相對(duì)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(duì)象，主要從幾何參數(shù)的選擇、齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)校核三方面介紹塑料齒輪副的參數(shù)設(shè)計(jì)的基本方法。

4.1齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

4 .11模數(shù)

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

  m 為模數(shù)，單位為mm; a為設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，因此也就不會(huì)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(dòng)的條件，則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(duì)減小齒輪最少齒數(shù)有利。但減小傳動(dòng)中的公差不利。因此，壓力角的選擇不能任意擴(kuò)大和降低。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定

a=20?在塑料齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，推薦使用a=20?另外，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(qiáng)度客選用大的壓力角。

4.14變位系數(shù)

  漸開線齒輪傳動(dòng)的可分性是變位的理論依據(jù)。齒輪變位主要考慮四個(gè)因素：1.改善齒根強(qiáng)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(dòng)慮實(shí)之接近或想等。另變位系數(shù)的選擇時(shí)要考慮與模數(shù)相結(jié)合，防止因變位系數(shù)過大導(dǎo)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(fù)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(shè)計(jì)時(shí)，齒頂高系數(shù)可以根據(jù)使用狀況選擇長(zhǎng)齒制（ha>1），正常齒制（ha=1）和短齒制（ha<1）。長(zhǎng)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(qiáng)度。

4.16頂隙系數(shù)

   頂隙的主要作用是利于滑動(dòng)油的流動(dòng)，并避免兩齒之間的碰撞。在金屬小模數(shù)齒輪設(shè)計(jì)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(rùn)滑的環(huán)境中，而且某些齒輪具有自潤(rùn)滑性能，故頂隙的選擇根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)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(dòng)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)證

傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)只要包括重和度和滑動(dòng)率。在塑料齒輪副設(shè)計(jì)時(shí)，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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dāng)取大一些，而滑動(dòng)率數(shù)值比較接近即可。

4.18輪公差選取原則

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)塑料大連齒輪精度還沒有成文的標(biāo)準(zhǔn)可以參考。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)齒輪公差（不含齒形檢測(cè)公差）的選擇多以經(jīng)驗(yàn)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(fù)偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負(fù)值Da0/-0.05

齒頂圓跳動(dòng)一般取0.05mm

公法線長(zhǎng)度以負(fù)偏差為主，即上偏差為0，下偏差為負(fù)值。Wk+0/-0.05

中心距以正偏差為主，即上偏差為正值，負(fù)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(biāo)準(zhǔn)；

（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(yàn)公司為：ámin=a+0.05m，á為嚙合齒輪副的實(shí)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(shè)計(jì)

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(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。因此，塑料齒輪結(jié)構(gòu)必須遵循傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)和塑料結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的規(guī)律進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)功能不同，塑料齒輪可以分為傳動(dòng)和輔助結(jié)構(gòu)兩大部分。其中，傳動(dòng)部分是指輪齒，輔助部分包括輪櫞，腹板，輪和加強(qiáng)筋四本份。塑料齒輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.21輪齒設(shè)計(jì)

輪齒是實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的重要工作部分，是整個(gè)齒輪的核心。輪齒設(shè)計(jì)應(yīng)該注意兩個(gè)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(shí)，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(huì)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(jìn)行齒形的修正。這也是輪齒設(shè)計(jì)必須重視的問題。

4.23平衡齒厚

當(dāng)兩個(gè)齒輪嚙合時(shí)，由于兩個(gè)齒輪齒數(shù)不等而模數(shù)和壓力角相等，導(dǎo)致計(jì)算出來的兩個(gè)齒輪齒根部分寬度相差特大。這樣在齒輪副承載運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒根寬度較小的小齒輪成為該齒輪副的強(qiáng)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(gè)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(fù)變位來實(shí)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(shè)計(jì)

  塑料齒輪輔助結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則是：在保證齒輪整體強(qiáng)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(shè)計(jì)，我們選取齒輪齒厚作為標(biāo)稱壁厚（T），輔助結(jié)構(gòu)的壁厚都以標(biāo)準(zhǔn)壁厚為基準(zhǔn)進(jìn)行選擇。輔助結(jié)構(gòu)的壁厚選擇經(jīng)驗(yàn)公司如表2所示。

表2塑料齒輪輔助結(jié)構(gòu)壁厚設(shè)計(jì)

名稱符號(hào)壁厚計(jì)算經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度因素，則W≦（1.25~3）R

輪設(shè)計(jì)H最佳取值：H=R；若考慮強(qiáng)度因素，則H≦（1.25~3）R

加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)RbRb≈T

另外，塑料齒輪不同結(jié)構(gòu)過渡處圓角的取值也應(yīng)考慮壁厚是否均勻的問題。對(duì)過渡處倒圓角時(shí)可以可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(xué)設(shè)計(jì)

齒輪力學(xué)設(shè)計(jì)主要是指對(duì)齒輪力學(xué)指標(biāo)的校核計(jì)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(duì)塑料的強(qiáng)度等力學(xué)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(dǎo)地位，所以塑料齒輪力學(xué)設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面的因素：一是溫度，二是強(qiáng)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(gè)：一是摩擦生熱，二是滯后能耗生熱。對(duì)塑料齒輪工作時(shí)的輪齒溫度計(jì)算可以采用，Henri Yelle 提出的無了潤(rùn)滑狀態(tài)輪齒溫度 計(jì)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(shí)齒輪的工作溫度。顯然，該方法計(jì)算出的溫度值偏大，但對(duì)設(shè)計(jì)而言是可以采用的。

4.4強(qiáng)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(qiáng)度校核方法來校核塑料齒輪是不可取的。目前，對(duì)塑料齒輪強(qiáng)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(shè)計(jì)參考。公式如下：