塑料齿轮的设计和制造介绍

1、ITPEI塑料齿轮的设计和制造介绍一 塑胶齿轮优缺点和应用相对金属齿轮，塑料齿轮具有质量轻、工作噪音小、耐磨损、无须 润滑、可以成型较复杂的形状、大批量生产成本低等优点。但由于塑料 木身具有收缩、吸水，相对金属强度也比较弱，对工作环境要求高，对 温度较敏感等特性。因而，塑料齿轮同时就有精度低、寿命短、使用环 境要求高等缺点。随着新材料的应用及制造技术的发展，塑料齿轮的粘 度越來越高，寿命也越來越长，并广泛应用于仪器、仪农、玩具、汽车、 打印机等行业。二塑料齿轮的模具制造方法山于塑料制品成型收缩，因此阴模尺寸要较制品尺寸人。见附图：3月權的分度00咸形品的分度區B1-1用标准滾齿刀加工的母齿轮制

2、作出的阴模和用此阴横所得到的成型品(引自 L.D.Matin Tool for Injection Molded Nylon Gears. The Tool Engineef.P.61 July 1954)实际甥到的阴梗和咸形品形状所豪的阴横和成形品形状因而标准的齿轮制品意味着不标准的阴模尺寸。这就对阴模的制造提出 了严格的要求。以卜是常用的两种阴模制造方法1先制作一母齿轮，然后通过铸造、电火花加工、电铸等方法制作母齿 轮。如：涡轮、涡杆、锥齿轮。2.不需母齿轮，直接线切割制作阴模。常用于正齿轮，斜齿轮。2.1母齿轮的制作方法前面所提，母模要比制品人，因此标准制品齿轮就必须由特殊母齿轮制作特殊

3、的阴模。特殊的母齿轮就需特殊的切齿刀來加匸。 通常方法：（1）特殊模数的切齿刀貝（2）加上成型收缩率的余量用特殊压力角的切齿道具（3）加上成型收缩率的余量用标准切齿刀具（4）不需添加余量用标准切齿刀具 以下是各种方法的详细介绍（1）特殊模数的切齿刀具制作一个特殊模数的切齿刀具，其压力角为标准压力角。在制作这个切 齿刀具时必须考虑到成世收缩率以及后面要讲到的阴模制作法所规定 的修正值，然后用这个特殊刀具來加工母齿轮。假设要制作下而的成型齿轮吋Z二30 m二1 d=m*Z=30mm假设成型收缩率与根据阴模制作法所得到的修 正值Z和为2%。则要求母齿轮的各参数为Z=30 m=l. 02 d二m*z二

4、30. 6mm根据这个方法制作出来的齿轮能得到比较正确的齿形。但时间长，成 本较高。（2）加上成型收缩率的余量用特殊压力角的切齿道具加上成空收缩率的余量用标准的切齿刀貝 來制作母齿轮时会造成齿形 的偏移，用节点上的压力角的变化来衣示的话如卜公式所示。Cosal=dlcosa2/d2al:加工齿轮模型用的切齿刀具的压力角dl:已经考虑了收缩率的分度圆直径（母齿轮的分度圆直径） dl=d2/（l-s/100） s:为收缩率a2:标准齿轮的压力角（一般为20度或者为14.5度）d2:标准齿轮的分度圆百径（制品的分度圆直径）所以cosa l=cosa2/(l -s/100)www.ialkipecgI

5、TPEI现有个压力角为20度的制品齿轮，成型收缩率和所要的切齿刀具的 压力角Z间的关系如下：成型收缩率切齿刀具的压力角1%al=l&342%al=16.493%al=14.364%al=11.81(3)加上、成型收缩率的余量用标准切齿刀具加上个相当于成型收缩率的余量用与成型齿轮相同的模数、压 力角的标准切齿刀貝制作母齿轮，这时制作出的母齿轮其压力角常常比 标准的大。但是由于使用的是标准工具，与(1)、(2)相比在交货期及 成本方面比较有利。如不存在压力角的偏移问题时，这个方法比较简单 常常被采用。除周节误差、压力角误差外，其它方面与(1)、(2)等方 法没有多人的差别。(4)不需添加余量用标准

6、切齿刀具由于模型齿轮的分度圆直径中不含有成空收缩率，所以，成型齿轮的 分度圆的玄径等于风度闘直径减去成空收缩率。如果所用材料成型收缩率很小的话，以及分度圆本身很小，侧此方法非常使用。2. 2齿轮模具阴模制作方法(1)披铜合金铸造法在运用皱铜合金只制作法时，从铸造性、硬度、强度等方面考虑一般采用含皱量为2.52.75%的披铜合金。山于铸造时的收缩率为0.20.3%所以制作母模时需考虑进去。为了便于脱模，模具上必须有12%的脱模斜度。(2)电火花加工以母齿轮做电极用电火花加工法来制作阴模时，母齿轮制作除了要考 虑制品收缩性，还要把放电间隙考虑进去。一般要进行粗放电加匸和细 放电加工，而粗公和箱公需

7、做在同-轴棒上。在放电加工时，电极垂直ITPEI度须充分校正。电极材料可以为：Tcu CuW BsBm。母齿轮的精度直接 影响加工岀來的型腔精度。在决定电火花加工间隙时必须考虑制品收缩 率在内。般来说，底部型的加工间隙为0.050.12mm,穿孔型的加工 间隙为0.030.0611U11O另侧壁锥度大约为0.2 / 100o(3) 线切割加工以铜丝或铸丝來加工阴模，加工时须把材料的成型收缩率考虑进去。般采用慢尼丝切割，加工间隙般为0.020.05nmi。可加工斜齿轮和 正齿轮。(4) 电铸法加工:3 )曲帀方向的mWlW 及齒的間隔俪齒筋方向(1 )齒高方向的粘翻惱形的形狀、亠齒高的齒尺寸有關

8、(2 )齒筋方向的JB度舆齒筋的饮斜度及凹凸(平滑)有關将母模放入电解液中，使金属成积到母模上至所需要厚度。母模的 精度将决定电铸模的粘度，电铸加工般吋间比较长。沉积离了 般为 银离了。貝体选择哪种方法，取决于制品精度，模具成本和加工时间。 按耕度等级分：铸造V电火花V线切割V电铸2.3水口的选择和型腔数量的确定水口的位置和数量直接影响到制品的精度和同心度。般來说采 用多针点式水口，3-6个平均分布在同圆周上。齿轮外徑越大和对取 量越多。直径小于8mm的也会选单一水口。收口的大小与制品的厚度 有关，尽可能采用大些的点水口。另，中心针的固定和分度圆的同心度 也是相半重要的。世腔数量取决于制品的精

9、度要求。最多不能超过4穴, 每增加-穴，精度减少5%。另外，模具材料的选择和水路及排气的设 计亦会影响制品精度O齿轮参数单-齿距误差相临齿距误差JR积齿距溟差法向齿距谋差齿形谋差M=0 5,Z-40.B-3mni. a-20衣1-2 PA66直齿圆柱齿轮注塑成型精度齿轮参数阴模制作单一齿距相临齿累积齿距法向齿距齿形谋差方法误基距谋羞谋差谋差M=0.5,Z=40,B=3iiini a=20AJIS2JIS3JIS3HS5HS8同上BJIS2JIS4JIS4JIS2JIS5同上CJIS3JIS4JIS3JIS2JIS3M=l=40,B=l 0iiim,a=200DJIS3-4JIS4-5JIS4-

10、5M= 1.5 ,z=40,b=7mm,a=20EJIS4JIS5JIS3M=2.5,Z=20,B=10mm,a=20DJIS5JIS6JIS4注：*记号误差大是受压力角误差的影响A：加上成型收缩率的余量，用压力角为14.5的标准刀貝制作母齿轮, 然后采用电火花加工法来制作阴模。B：将成型收缩率估计在内的特殊模数刀具來制作母齿轮，然后采用电 火花加工法來制作阴模。C：采用线切割法制作阴模。D：用将成型收缩率及彼铜的成型收缩率估计在内的特殊模数工具刀制 作母齿轮，然后采用跛铜合金铸造法制作阴模。E：加上成型收缩率的余量，用压力角为20。的标准刀具制作母齿轮影响齿轮粘度的主要因索有；阴模精度，注塑

11、工艺，模具及制品结构。当我们决定了制品的精度要求时，在找模具厂时要考核模具厂是否 具备相出的制模设备和注塑设备及检测设备，以及技术能力。四 塑料齿轮副的结构设计方法齿料齿轮多应用于小功率精密传动系统中，其传递的力矩和对较 小，结构非常紧凑。鉴于常用塑胶齿轮多为渐开线小模数（mvl）圆柱 塑料齿轮，故本文以渐开线小模数齿轮为研究对彖，主要从儿何参数的 选择、齿轮结构设计和力学校核三方面介绍塑料齿轮副的参数设计的基 本方法。4.1齿轮参数设计4.11模数模数是轮齿抗弯曲能力的匝要标志，塑料齿轮模数的选择同样需要 考虑强度因素。由于塑料齿轮多用于小功率稱密传动系统中，故而可以 采用“结构定模数”的指

12、导思想选择模数。模数的选择可以采用一卜以 下公式计算：m=2a / （zl+z2）m为模数，单位为mm: a为设计中心距，单位为nun; zl,z2为啮合齿 轮剛的齿轮齿数齿数。4.12齿数模塑法加匸塑料齿轮，不存在刀具和齿轮的成型加工运动，因此也 就不会产生金属齿轮加工中的“根切”现彖。在保证齿轮啮和轮不发生 啮和干涉的前提下，若仅考虑满足连续传动的条件，则对标准圆柱塑料 齿轮（沪20度，ha=l）的最少齿数可以取到3.4.13压力角压力角是作用线与节线相交所成的锐角，它放应了齿轮副的压力作 用方向。压力角可取 20、14.5、15、17.5、22.5 25、和 30等。需 要指出是增大压力

13、角对减小齿轮最少齿数有利。但减小传动中的公羞不 利。因此，压力角的选择不能任意扩人和降低。在国家标准屮般规尬 戸20在塑料齿轮设计吋，推荐使用沪20。另外，可以根据实际应用情况 选择其它压力角值，-般为增大觅合度较低噪音客选择小的压力角， 为提离承载能力提高轮齿强度客选用大的压力角。4.14变位系数渐开线齿轮传动的可分性是变位的理论依据。齿轮变位主要考虑四个 因素：1攻善齿根强度，2.是调整装配中心距，3.是利于修正齿形干涉4. 调整滑动虑实之接近或想等。另变位系数的选择时要考虑与模数相结 合，防止因变位系数过大导致齿形变形过大。一般来说变位系数的选取。 范I制是：、m/2m/2。原则是：小齿

14、轮选正变位系数，人齿轮选负变位 系数，两者Z和最好位正。4.15齿顶高系数在塑料齿轮设计时，齿顶高系数可以根据使用状况选择长齿制（hal）, iE常齿制（ha=l）和短齿制（havl）。长齿制利于提高齿轮副的重合度, 降低噪音，提高承载能力；短齿制则重在提高齿根的弯曲强度。4.16顶隙系数顶隙的主要作用是利于滑动油的流动，并避免两齿Z间的碰撞。在 金属小模数齿轮设计中规疋顶隙系数为c-0.25o由塑料齿轮多工作在 无润滑的环境中，而且某些齿轮具有自润滑性能，故顶隙的选择根据实 际情况进行选择，推荐顶隙系数的选择范围是：c=0.17.35 .人模数选 择小顶隙系数。小模数选择人顶隙系数。4.17

15、传动质量指标验证传动质量指标只要包括觅和度和滑动率。在塑料齿轮副设计时，由于塑料是一种弹性体材料，它组合了怙1体的弹性和液体的黏性特征，在承载运动时，齿型变形受加载方式、温度、湿度的影响较人，故而，推 荐重合度适当取大些，而滑动率数值比较接近即可。4.18轮公差选取原则ITPEIH前，国内对塑料齿轮粘度还没有成文的标准可以参考。在设计过 程中，对齿轮公差(不含齿形检测公差)的选择多以经验为主。下面我 们以农格的形式给出齿轮常用公差的选収原则，如农1所示。表1塑料齿轮公差选取原则尺寸名称公差选取原则示例齿顶圆直径以负偏差为主，即上偏差为0,下偏差为负值Da0/-0.05齿顶圆跳动一般取 0.05

16、111111公法线长度以负偏差为主，即上偏差为0,卜偏差为负值。Wk+0/0.05中心距以正偏差为主，即上偏差为正值，负偏差为0。a0+0.05/0注：(1)农中13的尺寸公差可参考JIS等相关的齿形精度标准;(1)啮合齿轮副中心距公岸选取的主要H的是：在保证齿轮lE确啮合 的前提下便于齿轮的装配。此公差选取的经验公司为： aniin=a+0.05m,右为啮合齿轮副的实际中心距：a为啮合齿轮副的理论中心距；m为齿轮副模数。4.2齿轮结构设计塑料齿轮本质上是一塑胶结构件，只是其主要功能用于动力与运动 的传递。因此，塑料齿轮结构必须遵循传动零件设计和塑料结构件结构 设计两个力面的规律进行综合设计。

17、根拯结构功能不同，塑料齿轮可以分为传动和辅助结构两大部分。其中，传动部分是指轮齿，辅助部分包 括轮椽，腹板，轮和加强筋四木份。塑料齿轮结构如图4所示。ITPEIITPEI-* *-*-Rb塑料结构图图44.21轮齿设计轮齿是实现传动的觅要工作部分，是整个齿轮的核心。轮齿设计应该注 意两个方面：一是齿形修正，二是平衡齿厚。4.2齿形修正塑料齿轮采用模塑法家工时，齿形成型依靠模具型腔的形状來保证。 由于世腔多采用线切割方式加工，因此不存在金属齿轮加工中的根切现 彖。但没有根切并不意味着齿形不会产生干涉，所以要保证塑料齿轮拥 有良好的啮合齿廉就必须进行齿形的修正。这也是轮齿设计必须重视的 问题。4.

18、23平衡齿厚为两个齿轮啮合时，由于两个齿轮齿数不等而模数和压力角相等，导 致计算出来的两个齿轮齿根部分宽度相羌特大。这样在齿轮副承载运动 时，齿根宽度较小的小齿轮成为该齿轮副的强度垠弱处。为避免这一现 象，我们可以通过调整变为系数和齿形修正等方法使两个齿轮的齿根宽 度比较接近或相等。若采用调整变位系数來调整平衡齿厚，则可以让小 齿轮正变位，大齿轮负变位来实现。这种平衡齿厚的塑料齿形在PGT 塑料齿形中是常见的。4.24辅助结构设计塑料齿轮辅助结构部分设计的指导原则是：在保证齿轮整体强度的前 提下，力求整体结构壁厚均匀，以利于注塑生产。为便于结构设讣，我 们选取齿轮齿厚作为标称壁厚（T）,辅助结

19、构的壁厚都以标准壁厚为基 准进行选择。辅助结构的壁厚选择经验公司如农2所示。表2塑料齿轮辅助结构壁厚设计名称符号壁厚计算经验公式轮缘厚度RR=（1.25 3）T腹板厚度W垠佳取值：W=R；若考虑强度因索，则WW （1.253） R轮设计H最佳取值：H=R：若考虑强度因索，则HW （1.253） R加强筋设计RbRbT另外，塑料齿轮不同结构过渡处圆角的取值也应考虑壁厚是否均匀的 问题。对过渡处倒圆角时可以可以根据实际经验取值。一般：壁厚为t 则内圆角Rl=O.5t;外圆角R2=1.5to4.25齿轮力学设计齿轮力学设计主要是指对齿轮力学指标的校核计算。塑料齿轮主要 有农面磨损、热失效和轮齿过载折

20、断三种失效形式，由于塑料为粘弹性 材料，温度对塑料的强度等力学性能具有很大影响，故而温度在塑料齿 轮失效影响因素中占主导地位，所以塑料齿轮力学设计主要考虑两个方 面的因索：一是温度，一是强度。4.3温度估算塑料齿轮匸作中热量产生主要来源有两个：-是摩擦生热，二是滞后能耗生热。对塑料齿轮匚作时的轮齿温度计算可以采用，Hemi Yelle提出的无了润滑状态轮齿温度 计算公司：T=Ta+kwxvy, T为伦齿温度, Ta为周围环境温度，k、x、y为材料相关系数，w. v代表切向力和节 圆线速度。该方向是在综介考虑速度、载荷和周围环境的影响下给出的,可以用来估算塑料齿轮工作时齿轮的匸作温度。显然，该方

21、法计算出的 温度值偏人，但对设计而言是可以采用的。4.4强度校核山于塑料与金属材料本质上存在较人的差异,所以完全搬金属齿轮 的强度校核方法來校核塑料齿轮是不可収的。I前，对塑料齿轮强度校 核的方法还为形成统i成熟的理论方法。在此，木文仅列出直齿圆柱齿 轮的校核公式，以供大家设计参考。公式如卞：20002(1)(2)瓦x冷x瓦x x K&.(3)P = ab b m y9式中：P用于齿上的切向负戦，单位：N：巧在有问题的运转条件下的最大弯曲应力，单位：MPa：b齿距，单位：mm：m模数.单位：nun：/在节点附近的齿形参数：T扭矩，单位：AT./w：d度圆宜径，单位：nun：z齿数：。；标准条件

22、下的最大弯曲许用应力，单位：nim：Cs使用状态系数：K、速度修正系数；Kt温度系数：Kl润滑系数；心材质系数：材料强度修iE系数：Scrfri压，单位：MPa：%小齿轮的分度岡直径，单位:nun；1-齿数比，心学：二 1E 齿轮材料的弹性系数,单位：MPa；a压力角单位：角度（。）;该il算过程中涉及许多经验参数的选择，具体推导过程及参数选杼方法以及 只他形式的齿轮的校核方法请参考文献【6】在此不再赘述。五塑料齿轮材料的选用5塑料齿轮常用塑料性能塑料齿轮常用的五大工程塑料为PA、PC、POM、PBT、PPO、以卞一一介绍其特性及用途。PA,比重轻，高抗拉强度，耐磨，自润滑性好，冲击韧性优杲，具有 刚柔兼备的性能，可以加工成各种制品來代替金属，但存在吸湿性人， 尺寸稳立性差等缺陷。用于要求不是很高的传动件。PC,貝有突出的冲击韧性，透明性和尺寸稳定性，