塑料齿轮设计指南

1、GEPlastics 塑料齿轮设计指南目录2 齿轮的类型和排列3 齿轮的运动4 塑料齿轮的设计应力分析 弯曲应力 安全系数 接触应力6 整体塑料齿轮设计 轮齿设计 部件总体设计 齿轮的布局 组装 部件组合13 测试14 齿轮失效机理15 材料 润滑添加剂 增强材料 齿轮副 塑料对塑料的磨损 高温齿轮19 加工制造 材料对齿轮精度的影响 模具设计和齿轮精度 模塑参数的影响塑料齿轮已在范围广泛的应用中确立了传统金属齿轮的重要替代品的地位。塑料齿轮 的用途已经从低功率低精度传动发展到要求更高的动力传输领域。随着设计师们不断 拓展塑料齿轮的应用范围,人们对于塑料在齿轮设计中的表现和如何利用塑料的独特

2、性能也有了更多的了解。塑料齿轮具有许多金属齿轮所没有的优点。与金属齿轮相比,它们重量更轻、惯性更 小、运转时噪音更低。塑料通常齿轮不需要润滑,或者可以添加 PTFE 或硅油这样的 内部润滑剂。塑料齿轮通常比金属齿轮的单位成本更低,而且在设计时可以结合考虑 其他组装性能。此外,这些齿轮还能运用于许多腐蚀性环境。热塑性塑料齿轮的最早用途无疑是制造低负载低转速的纯尼龙和乙缩醛齿轮。随着使 用热塑性塑料齿轮的优点日益明显以及性能更高的新材料的相继问世,设计师们开始 把塑料齿轮用于具有更高要求的应用场合。而把增强材料和内部润滑剂复合到这些材 料中,则进一步扩大了塑料齿轮的应用范围。由于缺乏系统的负载承受

3、能力和磨损性能方面的数据 至少同随处可得的金属齿轮 /材料性能数据相比情况如此,热塑性塑料在齿轮方面的应用遇到了阻碍。金属材料的 数据通过无数次成功的应用已经得到积累和确认,并为大多数齿轮设计师所熟知。而 热塑性塑料用作齿轮材料的时间较晚,尚没有充分的时间来整理大量的负载等级数 据,并且热塑性塑料的独特的机械和热学性能也使得那些尝试通过更易于获得的信息 来推导这些数据的人士无功而返。尽管如此,还是有一些原则可以用来估测在齿轮中使用热塑性塑料的技术可行性。这 些技术大多是从原先通过金属测试得出的公式演变而来的,因此没有考虑到热塑性塑 料所具有的某些独特行为。本手册将尝试揭示在使用这些公式和技术来

4、评价热塑性塑料齿轮时必须考虑的一些要 素。本文重点将放在正齿轮上,然而文中涉及的基本观点也可以扩展运用于其他类型 的齿轮。1齿轮的类型和排列齿轮有很多种不同的类型,最方便的方法是按照齿轮轴交叉的 方式进行分类。如果齿轮轴平行,则需要用到正齿轮或斜齿 轮。如果两个齿轮的轴成直角交叉,那么通常使用伞形齿轮齿 轮和蜗轮。如果两个齿轮的轴既不成直角交叉,又不平行,那 就使用相错轴斜齿轮、蜗轮、准双曲面齿轮和锥蜗轮。最常见 的塑料齿轮是正齿轮、斜齿轮和蜗轮,但是如果需要,也可能 使用其他类型的齿轮。单独一个齿轮无法发挥什么作用,所以齿轮要成对使用。当两 个齿轮的齿互相啮合时,一个齿轮的转动将使另一个齿轮

5、也跟 着转动。如果两个齿轮的直径不同,直径较小的齿轮(称为小 齿轮将比直径较大的齿轮(称为主齿轮转动得更快,且旋 转力更小。正齿轮的形状是圆柱形的,齿面与齿轮轴平行。如果轮齿指向 远离轴的方向,则齿轮是外啮合正齿轮 (图 1。如果轮齿指向 轴的方向,则齿轮是内啮合正齿轮 (图 2。正齿轮相对来说设 计简单,制造也容易。正齿轮只对其轴承施加径向负载,可在 各种不同的中心距上运转,这使正齿轮比较容易安装。大多数 设计师使用 20°的压力角,但是 22 1/2° 和 25° 的压力角也很常 见。压力角大于 20° 的齿轮有较大的负载能力,但转动起来不 太平稳,

6、噪音也较大。斜齿轮与正齿轮相似,但其齿面与齿轮轴成一个夹角 (图 3。 事实上,一个螺旋角为零的斜齿轮就是正齿轮。在既要求高速 又要求高负载的情况下,可以使用斜齿轮。单斜齿轮既施加轴 向负载,又施加推力负载,因此安装不那么简单,但是与正齿 轮相比,转动起来噪音较小,也更平稳。为了抵消推力负载, 通常将螺旋方向相反的几个斜齿轮安装在同一个轴上。这样的 齿轮称为双斜齿轮 (图 4。图 1 正齿轮 图 2 内啮合正齿轮 图 3 斜齿轮 图 4 双斜(人字齿轮 图 7 蜗轮 图 8 单包络蜗轮 图 9 双包络蜗轮图 5 伞形齿轮 图 6端面齿轮 2锥齿轮呈圆锥状,在齿的厚度和高度方向都是锥形的。轮齿的

7、 一端大,另一端小。虽然轮齿的尺寸是按照齿的较大一端列出 的,但强度计算要以轮齿的中部截面为依据。最简单的锥齿轮的类型是伞形齿轮(图 5。这些齿轮通常用于 成 90° 相交的轴上,但是可以在几乎任何角度下运转。这样的 齿轮既施加推力负载,又施加轴向负载,必须安装得很准确才 能正常工作。虽然塑料的锥齿轮并不很常见,但是设计师们已 开始研究其用途。其他类型的锥齿轮还有螺旋锥齿轮和零度锥 齿轮。端面齿轮是一种特殊类型的齿轮,它的轮齿镶嵌在齿轮的端面 上(图 6。在端面齿轮上,轮齿与齿轮的轴指向同一方向。端 面齿轮可以同正齿轮或斜齿轮啮合。像锥齿轮一样,两个齿轮 的轴必须交叉,轴的角度通常是

8、 90°。有三种类型的齿轮通常被称为蜗轮。蜗轮可以安装在非交叉、 非 平行的轴上;然而最常见的排列是非交叉、成 90° 的轴。蜗轮 的特征是其中一个部件有螺纹。这个部件称为蜗杆 (图 7。与 蜗杆配合的齿轮称为蜗轮。在塑料齿轮设计中,金属(或偶尔是塑料蜗杆与塑料斜齿轮 相配合是十分普遍的。这种排列实际上被称为非包络蜗轮或相 错轴斜齿轮。相错轴斜齿轮安装在彼此不交叉但成一个角度 (通常是 90° 的两根轴上。相错轴斜齿轮对它们的轴承既产生 轴向负载,又产生推力负载。相错轴斜齿轮组能够经受中心距和轴间角的小变动而不会影响 齿轮的精度。这个特点使它成为最容易安装的齿轮之

9、一。可惜 的是,相错轴斜齿轮只有点接触,因此不能承受很高的负载。 然而,如果齿轮能够磨合一段时间而不失效,点接触变成了线 接触,这就更像单包络蜗轮,这时承载能力会增大。这是将金 属蜗杆与塑料斜齿轮配合使用的原因之一。斜齿轮首先磨损, 然 后变成一个标准的蜗轮。把金属蜗杆与塑料蜗轮或塑料斜齿轮 配合使用的另一个原因,是有助于消除蜗轮组可能产生的大量 热量。塑料蜗轮由于与热有关的因素而失效的情况并不罕见。 真正的蜗轮组可分为单包络或双包络蜗轮。在单包络蜗轮组 中,蜗轮有一个带喉齿廓,它包围着蜗杆,就像螺母包围着螺 纹一样 (图 8。这就比类似的斜齿轮有更大的接触面,从而把 承载能力增大了 2 3

10、倍。在双包络蜗轮中,蜗杆 (图 9 和蜗 轮都带喉,并且互相包围。模塑带喉的蜗杆或蜗轮是很困难的, 因此,蜗杆和斜齿轮(交错轴螺旋齿轮的组合最为常用。齿轮的运动在我们开始分析塑料齿轮中的应力之前,理解齿轮的运动是很 重要的。事实上,每个轮齿都是一根在一端有支撑的悬臂梁。 接触点会产生使这种梁弯曲并从整块材料上剪切下来的力。因 此,齿轮材料应该有很高的抗弯强度和刚性。另一个作用主要是表面作用。由于摩擦力和点接触或线接触 (赫兹接触应力,在轮齿的表面产生了应力。在齿轮运动的过 程中,轮齿互相滚压,同时互相滑过。当轮齿进入啮合状态时, 有一个初始接触负载。齿轮的滚动运动会在接触点之前产生接 触应力(

11、这是一种特殊的压应力。同时会发生滑动,因为轮齿 的啮合部分的接触长度是不相同的。这就造成了摩擦力,它刚 好在接触点的后面形成一个拉伸应力区。在图 10 中,标有 R 的 箭头显示滚动方向,而标有 S 的箭头显示滑动方向。在这两种 运动方向相反的地方所形成的力,正是大多数问题的根源。 在图 10a 中,两个齿轮刚刚开始接触。在驱动齿轮的点 1 上, 材料受到来自滚动运动的压力,方向朝着节点;同时由于对滑 动运动的摩擦阻力,这个点又受到拉伸,方向背向节点。这两 种力的共同作用可能会造成表面开裂、表面疲劳和热量积聚。 所有这些因素都可能导致严重磨损。在从动齿轮的点 2 上,滚动和滑动的方向相同,都朝

12、着节点。 这使点 2 处的材料受到压力(来自滚动,而使点 3 处的材料受 到拉伸(来自滑动。这种情况不如在驱动齿轮上严重。3图 10a开始接触时 塑料齿轮的设计应力分析齿轮的最重要的部分是轮齿。如果没有轮齿,齿轮仅仅是一个轮 子,在传输运动或动力上没什么用途。衡量齿轮承受一个给定负载 的能力的基本方法是估算轮齿的强度。虽然推荐的做法是制作齿轮 的模型,但这可能既费钱又费时,所以需要有某种判断齿轮可行性 的方法。 弯曲应力在一个标准形状轮齿的节线上承受的弯曲应力可以使用 Lewis 公式 计算出来: 其中: S b = 弯曲应力F = 节线上切线方向上的轮齿负载 P d = 径节 f = 齿宽Y

13、 = 用于在节点承受负载的塑料齿轮的Lewis 形状系数 测试表明,最严重的轮齿负载出现在轮齿在节线上承受切线方向的 负载,且互相接触的轮齿对的数量接近 1 的时候。如果系统要求的 马力是已知的,另一个有用的方法是使用以下公式: 其中:HP = 马力 D = 节径w = 转速 (rpmLewis 公式的另一种变形包括了节线速度和一个服役系数: 其中: y = 齿顶处的 Lewis 形状系数 V = 节线速度 (fpm C s =服役系数在图 10b 中,我们看到两个齿轮之间接触的末端。滚动运动仍 然为相同方向,但是滑动运动已经改变了方向。现在从动齿轮 的基部承受的负载最大,因为点 4 既要承受

14、压力(由于滚动 又要承受拉伸(由于滑动。驱动齿轮的齿顶所受的应力不那么 严重,因为点 5 受到压应力,而点 6 受到了拉伸应力。 在节点上,滑动力改变了方向,从而形成了滑动零点(纯滚 动。有人可能会认为齿轮的这个部位的表面失效是最小的,然 而,实际上节点是最先发生严重失效的区域之一。节点虽然没 有受到复合应力,却承受了很高的单位负载。在齿轮刚刚接触 或接触结束时,前一对轮齿或后一对轮齿会承受一些负载, 因 此单位负载也会减少一些。最高的点负载出现在两个齿轮在节 线处或稍高于节线的位置刚刚接触的时候。在那个点上,全部 或大部分负载通常都由一对轮齿来承受。这可能导致疲劳失效、严重的热量积聚和表面性

15、能退化。4图 10b结束接触时描述齿轮的输入扭矩和工作周期性质的典型服役系数有:表 1 服役系数负载类型 24 8-10 间歇性 偶然性 小时 /天 小时 /天 3 小时 /天 1/2 小时 /天 稳定 1.25 1.00 0.80 0.50轻度冲击 1.50 1.25 1.00 0.80中度冲击 1.75 1.50 1.25 1.00重度冲击 2.00 1.75 1.50 1.25在任何一种应力公式中,都可以输入许用应力 Sall 作为 Sb 来计 算其他变量。安全应力或许用应力并不是典型的数据表的应力 水平,而是根据对一个具有标准齿形的齿轮的材料所做的实际 测试所确定的许用应力。许用应力已

16、经把材料安全系数包括这 个值中。对于一种给定的材料,许用应力水平在很大程度上取 决于众多因素。这些因素包括: 寿命周期 作业环境 节线速度 相对面 润滑由于许用应力等于强度值除以材料的安全系数 (Sall = S/n,这是 一个讨论齿轮安全系数的很好的出发点。安全是指一个部件在其 使用寿命周期内完成正常功能而不失效的能力。在选择安全系数 之前,必须定义齿轮的功能、使用寿命和部件失效条件。 安全系数可以用很多种方法来定义,然而这些安全系数基本上 都把引起失效的因素与许用参数联系起来。安全系数有三种基 本的应用方法。可以把整个系数用于一种材料性能,例如强 度;或者把整个系数用于负载;或者把分开的几

17、个系数用于每 个负载和材料性能。最后一种情形往往是最有用的,因为可以查明每个负载,然后 采用安全系数来确定最大绝对负载。接着可以把每个最大负载 用于应力分析,这样就可以根据几何尺寸和边界条件得出许用 应力。许用应力的极限可以通过在最终使用条件下对材料强度 应用强度安全系数来确定。负载的安全系数可以用传统的方法来确定。然而,塑料材料的 强度安全系数却很难确定。这是因为塑料的强度不是一个常 数,而是最终使用条件下的强度的统计分布。因而设计工程师 需要了解最终使用条件,例如温度、应变率和负载持续时间。 为了理解焊缝状况、各向异性效应、残留应力和工艺变型,需 要有制造方面的知识。材料知识很重要,因为对

18、最终使用条件 下的材料行为了解得越全面,安全系数就确定得越准确,从而 得到最佳的部件几何尺寸。反之,精确性越差、未知的因素越 多,则所要求的安全系数就越大。建议使用 2 作为最小安全系 数,即使已对齿轮的应用情况作了仔细的分析。 如果没有以前计算出来的许用应力(对于塑料来说经常没有, 那么齿轮设计师必须极其谨慎地考虑所有早些时候初步确定的 因素,以便确定一个适当的安全系数和计算出 Sall 。无论有无 类似的经验,都应建建立一个原型模具,并在预期的应用条件 下测试齿轮。接触应力目前为止,我们谈到的这些公式都是用来计算试图弯曲轮齿和 把轮齿从整块材料上剪切下来的力。这些力能通过静态负载或 疲劳作

19、用使轮齿断裂,致使齿轮失效。我们在研究齿轮运动时 看到的其他力则通过与轮齿的接触和彼此的相对运动产生表面 应力。这些应力导致轮齿表面的失效或磨损。为了确保齿轮有 令人满意的寿命,设计齿轮时必须力求动态表面应力不超过材 料的表面耐疲劳极限。以下公式是从赫兹的关于两个圆柱间的接触应力理论推导出 的,并经过修改,采用了齿轮设计所用的符号体系:其中:S H = 表面接触应力(赫兹应力W t = 传输的负载D p = 节径,小齿轮 = 波桑比E = 弹性模数 = 压力角m = 速比 (Ng/NpN = 齿数下标 p 和 g 分别指小齿轮和齿轮。先计算出表面接触应力, 然 后将其与材料的表面耐疲劳极限做比

20、较。然而对于塑料来说, 这样的数据很难找到。因此,确定这类数据的最佳方法仍然是 通过对使用条件下的齿轮组做实际测试。不过,这种计算可以 使设计师在一定程度上了解到,相对于材料的纯抗压强度,齿 轮表面受到多大应力,而材料的纯抗压强度是很容易获得的。5平衡弧齿厚度:如果两个啮合的轮齿按标准设计,那么与另一 齿轮相比,齿数较少的齿轮(小齿轮的轮齿根部会比较薄 (图 14。小齿轮传输的功率不及齿轮,是设计中的薄弱环节。 为了优化齿轮组的承载能力,应该增加小齿轮的弧齿厚度,同 时减少另一齿轮的弧齿厚度(图 15。综合了这些修改的两种塑料齿轮的齿形是 AGMA PT 齿形 (图 16 和 ISO R53

21、改型(图 17。这两种齿形本质上相同,只是在命名 法上不同。 ISO 齿形使用公制模数 m,而 AGMA PT 齿形使用径 节 Pd 。虽然这些齿形很有用,但它们并非仅有的齿形。对于特 定的应用场合,可以使用其他设计来优化齿轮组。在使用这些类型的修改时,必须对轮齿的弯曲强度应力公式和许 用应力公式作一些调整。如果轮齿的厚度已做修改,那么标准齿 厚的 Lewis 齿形系数应该乘以修改的齿厚与标准齿厚之比。整体塑料齿轮设计轮齿设计用来切削金属轮齿的滚齿刀是 “ 现成 ” 可用的,而出于经济原 因,商业化切削齿轮的设计师很少使用其他的齿形。注射成型 齿轮并不仅限使用这些标准滚齿刀,因为在切削模具以补

22、偿收 缩率时,必须使用特殊的刀具。如果使用带有标准压力角的滚 齿刀来切削模具,材料的成型收缩率将导致严重的齿廓误差。 因此齿轮设计师可以自由地使用各种不同的技术以求最大限度 地提高齿轮的性能。虽然有各种各样的塑料齿廓,但设计师都 使用基本的塑料设计技术来优化轮齿的设计。塑料齿轮最常用的齿轮修改技术是从对关键应用中的大负载金 属齿轮的修改技术发展而来的。最常见的基本修改是全齿根圆 角半径修改、齿顶修缘修改、消除根切状况和平衡弧齿厚度。 全齿根圆角半径修改:塑料模塑部件上尖锐的边角是不希望 的,因为它们会提高应力。在齿轮的两个轮齿之间使用全齿根 圆角半径可消除这些尖锐的边角,并可把应力减少 20%

23、 或更 多。所有的塑料齿轮都应使用全齿根圆角半径。齿顶修缘修改:当一个轮齿在负载下发生挠曲时,它可能会阻 碍下一个轮齿。大负载的金属齿轮会发生这种情况,大多数塑 料齿轮也会程度不同地发生这种情况。这类干扰会造成噪音, 过度磨损和无法保持平滑均匀的运动。为了补偿这种挠曲,轮 齿的厚度要从中部到顶部(轮齿的上半部逐渐变薄。这种修 改最适用于大负载(对于特定材料而言齿轮,但在塑料齿轮 上并非总是需要。消除根切:齿数少的齿轮的轮齿经常在齿轮根部发生根切。这 将大大削弱齿轮的强度,在塑料齿轮上应该避免(图 13。6 713 根切 图 15 削弱轮齿 抑制运动的连续性 增加磨损轮齿强度平衡13 60 60

24、 个轮齿13 个轮齿 P = 径节 a = 齿顶 p = 周节 h = 齿根的 直线部分 到根半径的 切点的深度b = 齿根 20° = 压力角 h t = 整个深度 r f = 根圆半径m = 模数 a = 齿顶 p = 周节h = 齿根的直线部分 到根半径的 切点的深度b = 齿根20° = 压力角 h t = 整个深度 r f = 根圆半径部件总体设计以上概述的轮齿修改方法适用于轮齿本身的设计,但也是对基本 的塑料部件设计指导原则的适应性修改。在设计任何塑料部件 时,都必须考虑到这些规则。由于您的塑料轮齿将附在某个塑料 部件上,因此您也必须把这些规则应用到您的总体设计

25、上。 公称壁好的塑料部件设计的最重要特征之一是公称壁。公称壁是部件 的基本特征,它提供了部件的形状。公称壁的厚度将影响部件 的强度、成本、重量和精度。当部件的公称壁在 0.030 到 0.200 英寸的厚度范围内时,典型的注射成型技术所取得最终效果 最好。虽然对于注射成型塑料部件来说还没有平均壁厚这种概 念,但 0.125 英寸是很常用的尺寸。对于低收缩率的材料来说, 公称壁的变化应该控制在 25% 以下;而对于高收缩率的材料来 说,公称壁的变化应该控制在 15% 以下。这一点也很重要。如 果壁厚需要幅度更大的变化,则应该分几步实现(图 18。壁厚 大幅度变化所带来的最大问题是较厚的部分冷却速

26、度不如较薄 的部分快,因此收缩率较大。这可能导致部件翘曲和尺寸超出 公差范围。保持均匀壁厚的一种方法是从两侧同等距离上铸成 空心 (图 19。修成圆角当两个壁在部件中相交形成夹角时,这个地方就可能出现应力 集中和流动性降低。通过把内角修成圆角,可使应力分布到 较大的区域内。通过把外角修成圆角,可以改善材料的流程 并保持公称壁厚。一般建议内角修圆的最小半径是公称壁厚 的 25%,最大半径是公称壁厚的 75%。较大的半径可以减少 应力集中,但设计上的缺点是材料截面加厚。当一个内角具有 对应的外角时,外半径在尺寸设计上应能使壁厚保持均匀。如 果内半径是公称壁厚的 50%,那么外半径应该是公称壁厚的

27、150%(图 20。 加强筋除了最简单的塑料部件以外,所有塑料部件在公称壁上都有某种 类型的突起部分。这些突起部分可以为加强筋、角撑板和凸套等 不同形式。最常见的突起部分是加强筋。在部件上添加加强筋通 常是为了增加其刚性或控制熔体沿着模腔的流动方向。在一般情 况下,加强筋的高度不应该大于公称壁厚的 2.5 到 3 倍。虽然更 高的加强筋可以增加部件的刚性,但要模塑得恰到好处是很困难 的。高的加强筋很难填充、排气和脱模。由于这个原因,通常宁 可添加两根较短的加强筋来取代一根较高的加强筋。对于高收缩率的材料而言,加强筋的厚度应该大约为公称壁的 一半;而对于低收缩率的材料而言则是公称壁的 75%。这

28、有助 于控制加强筋与壁的连接处的收缩率。连接处应该呈圆角,圆 角半径至少应是公称壁厚的 25%。圆角半径更大会增加连接处 的厚度,并在与加强筋相对的表面形成缩痕。当使用多个加强 筋时,加强筋之间不要太靠近,其间距不应少于公称壁厚的两 倍。加强筋靠得更近将很难冷却,并可能产生较高的成型内应 力 (图 21。8 齿轮的布局在设计用热塑性塑料模塑的齿轮时,应记住上面概述的塑料设 计基本指导原则,这很重要。最简单的齿轮是平齿轮,中心没 有浇口的轮缘或轮毂(图 22。这种齿轮的收缩差异最小,因 为它只有单一的公称壁,在厚度上没有变化。这种齿轮的厚度 不应该超过 0.250 英寸,如果齿轮厚度超过 0.1

29、80 英寸,更实 用的设计是加上轮辐和轮毂。在设计带有轮毂和轮缘的塑料齿轮时,必须仔细考虑这些不同 部件的厚度。轮齿的厚度和高度已经由轮齿的强度要求所决 定。困难在于决定齿轮的哪个部位是公称壁,以及该部位与其 他部位之间有什么关系。在不忘记基本的塑料设计指导原则的 前提下,齿轮的每个部位都应设计成能实现塑料功能。但是就 像对待任何设计指导原则一样,有时也不得不做些折衷处理, 这是毫无疑问的。 如果轮齿被当成壁上的突起(形成轮缘处理,那么轮缘的厚 度应该是轮齿厚度的 1.25 到 3 倍(图 23。轮辐和轮毂至少 应该与轮缘一样厚。由于大多数齿轮都在轮辐上浇口,为了获 得更好的填充效果,轮辐可以

30、做得比轮毂和轮缘更厚。同样地, 轮辐的厚度也不应该超过轮毂和轮缘厚度的 1.25 到 3 倍。如果 轮辐必须很厚(例如压配合,则齿轮应该在轮毂上浇口,或在 中心进行膜片形浇口。在所有的情况下,中心膜片形浇口将提 供最均匀的填充,因此是推荐的做法。请记住要把所有的内角 修成圆角,半径为壁厚的 50% 至 75%。轮辐中应该避免出现气孔,因为气孔会在轮缘中增加流痕,这 只会降低齿轮的强度,并且会产生不同的高收缩率和低收缩率 区域,从而导致公差难以控制(图 24。由于同样的原因,加 强筋也可能影响公差;所以除非绝对必要,否则应该避免使用 加强筋。如果必须增加加强筋,那加强筋应该增加在齿轮两 侧,并且

31、彼此不应该直接相对(图 25。10图 22 无轮毂和轮缘的齿轮 如果需要,应该在两侧都使用加强筋,并把前部向后偏移,以避免产生厚的截面。11对于像尼龙这样的吸湿性材料,膨胀可能更重要。一些常用的 吸湿容差有:如果您使用的材料不在此表内,对于低吸湿性材料可以采用聚 碳酸酯的数字,对于吸湿性材料可以采用 尼龙 6/6 的数字。组装以上概述的对于标准齿轮设计和热塑性部件的基本设计指导原 则的四点 “ 修改 ” ,将使您能够制造出更坚固的注射成型塑料齿 轮。然而,齿轮必须在适当的点上保持啮合状态。当两个齿轮 紧密啮合时,它们的中心之间的距离是它们的标准节径之和的 一半,这称为标准中心距。正齿轮和斜齿轮

32、可采用的中心距的 范围很宽,而最佳作业中心距恰好是标准中心距的情况是很少 的。此外,齿轮设计师还必须根据可能影响中心距的任何环境 条件进行调整。如果两个齿轮之间的中心距太小,热学影响和 环境影响可能造成中心距的缩小和齿轮的咬死。可能影响齿轮作业中心距的因素包括齿轮、轴和壳体的热膨 胀,由于吸湿而导致的尺寸变化,用于固定齿轮位置的轴承的 径向移动以及齿轮本身的总体精度。为了防止因为这些变化而 发生齿轮咬死,可能必须增大中心距。这种中心距的增大可以 使用以下公式来计算:其中: c = 要求增加的中心距 T ct = 齿轮最大总综合公差 C = 紧密啮合中心距T = 齿轮将会遇到的最高作业温度, &

33、#176;F a = 材料线性热膨胀系数 (in./in./°FM = 轮毂材料由于吸湿产生的 膨胀量 (in./in.TIR= 轴承最大允许径向跳动量下标 1、 2 和 H 分别指的是齿轮 1、齿轮 2 和壳体。线性热膨胀 系数通常可以在材料供应商提供的材料数据表上找到。当前未提供 由于吸湿产生的膨胀量,而且它通常与数据表上所报告的吸水率不 同。如果所说的齿轮不直接暴露于高湿度环境,则大多数塑料的膨 胀量微乎其微,可以被随时间推移而发生的成型内应力释放所导致 的轻微收缩所抵消。表 2材料 M (% 聚甲醛 0.05 尼龙 6/60.25 尼龙 6/6 + 30% 玻璃纤维 0.15

34、 聚碳酸酯0.0512部件组合 热塑性塑料注射成型齿轮最有用的功能之一是可以将多个不同 的部件组合到一个多功能的设计形式中(部件整合。部件整合 最简单的形式是以单一机件的形式模塑齿轮轴和齿轮。这种方 法也常常用于以一个机件的形式模塑两个或多个正齿轮或斜齿 轮。这就是所说的复合齿轮。在模塑复合齿轮时,必须牢记有 关公称壁厚和半径的规则。简单地将一个齿轮堆叠在另一个齿 轮之上会导致横截面过厚、冷却不均匀和公差过小。图 26 显 示了优秀设计与过厚设计之间的差异。测试在超过齿轮材料的设计极限时,塑料齿轮和金属齿轮失效的机 理形式是相同的。所有新的应用都应在运行条件下或接近运行 条件下进行原型试验。对

35、于从棒料加工而成的齿轮进行测试似乎是测试齿轮的最简单 方法,但由于表面光洁度、成型内应力、精度和许多其他因素 的不同,其结果可能会与模塑齿轮有所不同。要想真正了解齿 轮性能,唯一的方法是测试模塑齿轮原型。在高于给定用途所需的速度下进行加速试验通常并没有什么价 值。将温度提高到正常工作温度以上可能导致快速失效,而在 正常作业条件下,齿轮可能会很好地工作。测试条件应始终选 择与实际条件尽可能地接近。例如,如果齿轮只在高负载下间 歇作业,则不应在连续运转情况下对其进行测试,因为在作业 条件下,齿轮将有机会在作业周期间隔中得以冷却。如果齿轮 低速转动且只偶尔进行作业,则在轮齿温升很小的情况下可以 对其

36、进行连续测试。如果齿轮在使用时会非常快地达到其最高 使用温度,则也允许进行连续测试。如果齿轮不在接近其疲劳 极限的条件下运转,则进行静态轮齿负载测试可能会很有用。 如果齿轮将具有很长的使用寿命,则静态测试负载应为预期工 作负载的 8 到 10倍。13图 26不良设计厚度过大或不均匀结果缩痕、空穴过多、模 塑周期长、翘曲良好设计 壁厚均匀均匀 改善轮辐放置 较高的工具成本被 产量提高所抵消齿轮失效机理粘附或 “ 正常 ” 磨损这种类型的磨损是由于相对磨损面上小范围的不连贯粘连和拉 扯造成的。如果粘连达到显微级别,则结果通常是正常的均匀 磨损率。进行外部润滑可以使齿轮表面彼此分开,从而抑制磨 损。

37、复合到热塑性塑料中的 PTFE 可以在齿轮及其配合件上形成 一层 PTFE 薄膜,从而起到润滑剂的作用。这种 PTFE 转移膜的 摩擦和磨损率很低。在塑料齿轮副中,至少一个齿轮应当包含 PTFE 。对使用 PTFE 进行润滑的齿轮使用外部润滑剂可能不会产 生很好的效果,因为润滑脂会起到脱膜剂的作用,阻止转移薄 膜的形成。不过,由于在转移层形成时,用 PTFE 润滑的齿轮上 会有一段时间的磨合期,而这期间的磨损率会很高,因此,在 不影响该转移层形成的情况下,可以进行轻度外部润滑,以便 减缓齿轮的磨损。在没有润滑的塑料齿轮中,通常会在节线处因不均匀或过度磨 损而发生失效。这种磨损会增加摩擦热(软化

38、材料,并由于横 截面变小而增加轮齿上的节线负载(图 27。这通常会使轮齿 在节线位置处发生弯曲,导致轮齿粘着或完全断裂。这看起来 像是疲劳失效,但它实际上却是一种磨损失效。如果齿轮进行 充分润滑,则会降低摩擦力,从而降低热量堆积和磨损。 通常,不同材料间要比相同材料间更耐磨损。但也并不总是这样, 所以应进行某种形式的磨损测试;如果磨损测试结果可以 接受的话,则进行该齿轮副的原型试验。如果塑料齿轮要与金 属齿轮一起啮合运转,则金属齿轮面的光洁度应为 16 in.,以 便获得良好的耐磨损性能。粘着磨损只要接触面之间存在硬的颗粒,即会发生粘着磨损。这种物质 可能是其中一个齿轮上掉下来的磨损碎屑,也可

39、能是来自环境 的污物。如果其中一个齿轮(通常为金属齿轮的表面比另一 个齿轮更粗糙,则也会发生这种类型的磨损。这些颗粒首先会 穿透到材料中,然后会从表面上 “ 刨 ” 下材料碎片。应当避免出 现粘着磨损情况。点蚀点蚀定义为表面疲劳失效,当超过材料的疲劳极限时,即可能 发生这种点蚀。承载负荷的齿轮在表面和表面以下会存在应 力。如果负载足够高,并且应力周期循环足够快,某些区域即 会发生疲劳,并会从表面上脱落。节线区域所受应力最高,最 可能发生点蚀。点蚀与疲劳有关,并通常与润滑无关。虽然塑 料中极少发生点蚀失效,但也并非不可能,特别是在系统润滑 充分(低磨损的条件下。塑性流动塑性流动是由高接触应力和啮

40、合齿轮的滚动与滑动运动所导致 的。它是因为表面和表面以下材料发生屈服所导致的表面变 形。由于塑料为绝热体且熔化温度低(与金属相比,因而在 相同条件下,塑料齿轮往往易于熔化和流动,这时金属齿轮就 展现出其优越之处。在塑料齿轮中,最初的塑性流动发生在径 向。由于它可以自行解除,因此并没有危害。但在更为恶劣的 条件下,会在轴向发生流动,之后会很快发生轮齿断裂。塑性 流动标志着作业条件过于恶劣,会很快发生失效。润滑(内部 和外部 可以降低摩擦所产生的热量,因此有助于防止这种条 件的出现。(图 28 断裂断裂是指整个轮齿或至少轮齿的大部分发生折断所导致的失 效。这种失效可能是由于轮齿过载(失速、冲击或旋

41、转应力 (疲劳 超过材料疲劳极限所造成的结果。这两种类型的断裂通 常会发生在齿根圆角处,并可沿着轮齿的基线延伸。无润滑系 统中发生断裂通常是由于过载所致。轮齿较高位置处发生断裂 通常与磨损有关。(图 29热循环疲劳无润滑和有润滑的齿轮均可能由于热循环疲劳而失效。轮齿弯 曲应力通常会导致某种迟滞热,而由于塑料是良好的热绝缘 体,因此会导致材料的作业温度上升。这种温升可能会降低材 料的强度,并导致节线变形失效(轮齿折叠。图 27轮齿由于过度磨损而变薄图 28轮齿由于过热而变形图 29轮齿由于过载而在根部断裂14材料齿轮材料有一些基本要求。材料必须具有足够强度以传递齿轮 轮齿负载,并对配合齿轮的材料

42、具有良好的耐磨损性和耐摩擦 性。对于某些应用,耐冲击和耐腐蚀性能也至关重要。齿轮设 计师必须仔细评估齿轮需要满足的要求(环境要求和力学要 求,并将这些要求与要使用的材料的相关性能进行比较。 如前文所述,用于评估齿轮的值极少可在数据表中找到。标准 机械性能和物理性能的评估条件极少会出现在齿轮的工作条件 中。如果有各种温度和疲劳度下的工程性能(如应力-应变同步 曲线、拉伸蠕变或弯曲疲劳数据,则可以更好地预测材料的 行为。但即使有所需的数据,我们仍强烈建议进行原型试验。虽然大多数磨损数据并不直接适用于齿轮应用,但通过圆盘、 环-块或盘-销磨损数据仍可以对可能的备选材料进行比较分 级。在热塑性合成材料

43、相对于钢和其他金属(铝、铜等方 面,以及热塑性合成材料在室温和高温方面,已经得到了大量 的圆盘实验数据。这种数据可用于筛选齿轮原型的潜在备选材 料。未填充的 Nylon 6/6 的磨损系数 200 是用于确定某种合成 材料是否具有合格磨损率的基准。大于 200 的磨损系数表明材 料具有不可接受的高磨损率,因此不适用于大多数齿轮应用。 低于 200 的磨损系数表明它是一种潜在可行的齿轮材料。 在选择齿轮材料时应使用的另一个数字是限定性 PV (压力 -速 度值。这个数字表示一种合成材料的负载或速度极限。在 PV 测试中,旋转轴承上的负载会逐渐递增,直至失效。考虑到 安全系数,通常取 PV 极限值

44、的 50% 作为最大值来选择合成 材料。有关更完整的对圆盘和 PV 极限值测试的说明,请参阅 LNP 内部润滑热塑性塑料指南 。未填充的聚甲醛和未填充的 Nylon 6/6 是最先在齿轮中普遍使 用的两种热塑性塑料。这些结晶树脂具有良好的内在耐磨损性, 较低的摩擦系数和良好的耐化学腐蚀性。但是,它们的成型收 缩率高,速度 /负载能力低,限制了潜在的应用范围。如今,许 多新的热塑性树脂已经被合成出来,它们带有内部润滑剂,可 以提高耐磨损性和降低摩擦,并且采用增强材料提高了强度。润滑添加剂最广泛使用的润滑剂有 PTFE 粉末 (聚四氟乙烯 和硅油。 PTFE 颗粒通过磨损表面之间的剪切产生粘着,从

45、而产生一种 PTFE 薄 膜,它可转移到配对磨损表面上。这种 PTFE 对 PTFE 的转移 薄膜会明显降低摩擦系数和磨损率。例如,当在 PEI (聚醚酰亚 胺中添加 15% PTFE 进行润滑时,动态摩擦系数会从 0.51 降 低到 0.30,磨损系数会从 3940 降低到 106。由于这种非晶树脂 的磨损系数低于 200,可以考虑将其作为潜在的齿轮备选材料 (图 30。非晶树脂之所以重要,是因为在模具中它们比结晶 树脂具有更低的收缩率,可以用来模塑生产精度更高的齿轮。 另 一 种 常 见 的 润 滑 剂 , 即 硅 油 , 可 以 迁 移 到 磨 损 接 触 面 , 并在起动时即开始在界面

46、上存在。硅油可以单独使用,如 果结合 PTFE ,磨损系数更低。用 2% 硅油润滑的聚碳酸酯 Lubricomp* DL-4410 的磨损系数会从 2500 降低到 386。将 13% 的 PTFE 和 2% 的硅油 (Lubricomp DL-4530 结合使用可进一 步将磨损系数降低到 42。 PTFE/硅油组合可以改善高速下的性 能,通常被用于会产生失稳速度 (Oscillating Speed 或齿轮跳动 (Oscillating Motion 的情况。15图 30PTFE 在各种树脂上的润 未填充增强材料复合到树脂中的增强纤维(如玻璃纤维、碳纤维或芳香族聚酰 胺纤维可以提高材料的机械

47、性能。碳纤维增强材料可最大程 度地提高机械强度和刚度,玻璃纤维的增强效果次之,芳香族 聚酰胺纤维再次之。仅添加增强纤维一项即可明显降低大多数 树脂系统的磨损系数(表 3。结合使用 PTFE 和纤维增强材料更 可进一步降低磨损系数。对于具有典型纤维添加量(玻璃纤维 和碳纤维 30%,芳香族聚酰胺纤维 15%并添加 15% PTFE 润 滑剂的 Nylon 6/6,磨损系数将降低到 20 以下。玻璃纤维和碳纤维的主要缺点是可能会在模具中诱发各向异性 收缩,而降低齿轮精度。芳香族聚酰胺纤维则表现出更高的各 向同性,流动方向和横向收缩率之间差异很小。粒状填料(如 辗碎的玻璃或玻璃珠可改善具有极少增强纤

48、维的合成材料配 方,而不会加剧收缩的不均匀性。但是,这些材料通常会降低 机械性能,并使磨损率上升。对增强合成材料的改进之一是使用长纤维技术,这大大提高了 取代金属齿轮的可能性。包含玻璃纤维和 PTFE 的长短玻璃纤 维增强 Nylon 6/6 的性能比较显示了使用长纤维增强材料在抗 弯强度和冲击强度上明显改善。由于降低了纤维末端的数量, 因此磨损率不会明显提高。在某些齿轮应用中,其较高的强度 和抗冲击性能使得轮齿在高扭矩条件下的强度和耐疲劳性能都 得到改善(表 4。齿轮组合塑料齿轮的磨损在很大程度上取决于相对的那个齿轮。对于金 属齿轮组合中的塑料齿轮,合成材料在相对较硬的金属(如 1141 钢

49、上的磨损可能会与在软金属(如铝和铜上的磨损不 同, 具体情况又因配方而异。金属齿轮的表面光洁度也会影响 塑料齿轮的磨损。从耐磨的角度来说,金属 - 塑料齿轮组合中 金属齿轮表面光洁度的适宜范围为 12-16 in。例如,请看以下两种 Nylon 6/6 配方:一种配方为 30% 碳纤维 增强、 15% PTFE 润滑的 Nylon 6/6,另一种配方为 10% 芳香族 聚酰胺纤维增强、 10% PTFE 润滑的 Nylon 6/6。两个配方对钢 的磨损系数都为 13。但是,对于铝,碳纤维配方的磨损系数为 175,而芳香族聚酰胺纤维配方的磨损系数为 45。另一个重要 的事实是,铝轴与碳纤维增强的

50、合成材料的磨损系数(95要 比与芳香族聚酰胺纤维合成材料的磨损系数(4更高。芳香 族聚酰胺纤维增强适用于软金属和粉末金属,因为它们可帮助 降低磨蚀性金属颗粒的生成。 塑料 对 塑料磨损对于塑料 - 塑料齿轮组合,合成材料的选择变得更加复杂。这 些磨损组合极难预测,只能通过测试才能确定。通常,尽管有 某些热塑性合成材料在同种材料之间具有良好的耐磨性,但找 到使用异种材料的可接受磨损组合会更容易一些。在许多情况下,具有天然润滑性的材料的磨损率都很高。当未填 充的芳香族聚酰胺(通常视为具有很好的天然润滑性与相同材 料配合使用时,磨损系数在 10,000 以上。但加入 20% 的 PTFE 后,在与同

51、种材料配合使用时,会得到 40 左右的磨损系数。 高温齿轮热塑性合成材料在高温齿轮条件下用途有限,这是因为当温度 升高到熔点 /玻璃态转化温度时,其机械性能会降低。在设计高 温应用条件下的塑料齿轮时,必须了解备选材料在应用温度下 的机械性能。其中包括磨损数据,因为磨损率在温度提高时也 倾向于升高。大多数高温齿轮应用都会使用高熔点/高玻璃态转 化温度的树脂,如 PES (聚醚砜、 PEI (聚醚酰亚胺、 PPS (聚 苯硫醚、 PPA (聚邻苯二甲酰胺和 PEEK(聚醚醚酮。高温齿 轮应用几乎都会采用纤维增强材料和 /或内部润滑。16表 3 Nylon 6/6 基体中增强纤维的比较性能 ASTM

52、 单位 未填充 30% 玻璃 30% 碳 15% 芳香族聚酰胺方法 纤维 纤维 纤维收缩率 D955 %(流向 /横向 1.5/1.8 0.40/1.5 0.08/0.56 0.02/0.03抗拉强度 D630 psi/MPa 12000/83 24000/165 38600/266 1400/97抗弯模数 D790 ksi/GPa 410/2.8 1370/9.4 2720/18.8 560/3.9摩擦系数 LNP 静态 /动态 0.55/0.65 0.57/0.11 0.30/0.32 0.75/0.73磨损系数 LNP 10-10in 5-min. 200 75 36 19ft.-lb.

53、-hr.表 4 PTFE 润滑的长短玻璃纤维增强 Nylon 6/6 比较性能 ASTM 单位 40% 长玻璃纤维 30% 短玻璃纤维10% PTFE 10% PTFE抗拉强度 D630 psi/MPa 30000/207 26600/183延伸率 D630 % 2.5 3.2抗弯模数 D790 Ksi/GPa 1730/11.9 1350/9.3Izod冲击强度,有缺口 D256 ft.-lb./in. / J/m 5.1/257 2.1/10617表 5与 1982 年行业标准的近似关系名称 级别说明 AGMA 2000-A88 DIN 3963/1978AA 最高可能的精度。需要特殊工具

54、间方法。用于主齿轮、异常关键 14 或更高 2 或 3 超高 的高速齿轮或当需要最高负载和最高可靠性时。精度A 高精度,通过一流机床和熟练的操作工铣齿或剃齿获得。广泛用 12 或 13 4 或 5 高 于涡轮传动和航空航天传动精度B 相对高精度,通过铣齿或剃齿获得,侧重点 在生产率而不是高质量。 10 或 11 6 或 7 中高 可通过最好的设备和最适宜条件进行滚齿或剃齿获得。 用于中速精度 工业齿轮和更关键的车辆齿轮。 E 用于低速和轻载齿轮的精度。可以铸造或模塑。通常用于制造玩具 5 或 4 12 非常低 和小器件。可用于寿命和可靠性要求有限的低硬度主动齿轮。精度18加工制造注射成型的齿轮

55、的总体精度取决于材料的成分、部件的设计以 及制造过程(模具设计和加工。无论材料或部件的设计多么优 秀,如果模具设计不良或加工不当,便无法制造出高精度的齿 轮。在谈论齿轮可以模塑成什么精度前,我们需要讨论在齿轮 中如何测量精度。如果两个具有标准轮齿厚度的配对齿轮进行紧密啮合,其中心 距将为其标准节径之和的一半。这个间距称为其标准中心距。 只有当这两个齿轮都完美无瑕时,它们才会在其标准中心距上 旋转,齿轮中的任何误差都会导致齿轮在旋转中的某一点上咬 死。存在的误差的类型可以按如下划分: 径向跳动 横向跳动或摇摆 节距误差 齿廓误差节距误差和齿廓误差加在一起称为轮齿到轮齿综合误差,即 TTE 。它描

56、述了所检查的齿轮上一个轮齿相对于另一个轮齿发 生的形状与位置变化。齿轮的总体径向跳动量(即齿轮不圆 度加上轮齿到轮齿综合误差即得到总综合误差,即 TCE 。齿 轮的轮齿到轮齿综合误差和总综合误差,可以通过用可变中心 距的夹具固定齿轮,然后旋转齿轮使之与已知精度的主齿轮紧 密啮合的方法加以测量。当齿轮旋转时,中心距会随着被测试 齿轮的精度的不同而变化。这一径向位移可以测得并制成图 表。图 31 中给出了一个示例图表。如果齿轮完美无瑕,则图 表将为一条直线。对于塑料齿轮,较大的误差通常是齿轮的总 体径向跳动误差,而不是轮齿到轮齿的误差。 注射成型齿轮的两个可接受的质量评定标准是 AGMA 2000

57、-A88 和 DIN 3963/1978。在 AGMA 系统中,齿轮根据其允许的轮齿 到轮齿最大综合公差和总综合公差方面的精度编号进行划分。 此编号称为 AGMA 质量编号,该编号越大,齿轮上的公差越紧 密。这些标准与用于金属齿轮的标准相同,因此, AGMA Q8 模 塑而成的塑料齿轮的质量与 AGMA Q8 滚齿而成的钢制齿轮相 同。例如,为使 48 径节、 1.00 英寸节径的正齿轮成为 AGMA Q7,它允许的最大轮齿到轮齿公差 (TTE 应为 0.00138 英寸,最 大综合公差 (TCE 应为 0.00275 英寸。要使这个齿轮成为 AGMA Q10,则允许的最大 TTE 应为 0.

58、00036 英寸,最大 TCE 应为 0.00010 英寸。 AGMA 质量编号和相应的最大公差(以径节和 节径表示收录在美国齿轮制造商协会的 Gear Handbook,390.03(齿轮手册, 390.03中。为便于参考,这些质量等级可以细分为六个主要精度等级。大 多数模塑齿轮的精度都介于 AGMA Q4 到 Q8 的范围内,但模塑 精度达到 AGMA Q10 的齿轮也已经制造出来。在设计齿轮时,设计师必须选择齿轮生产厂所能达到的精度级 别。此外,齿轮的制造成本也须合理。在竞争环境中,我们需 要的并非只是最好的齿轮那么简单。而是能够恰当地满足负 载、寿命、可靠性和低噪音要求的成本最低的齿轮。19 材料对齿轮精度的影响材料选择对于齿轮精度可能会有影响。非晶树脂的收缩特性比 结晶树脂更容易产生