針對熱塑性塑料齒輪的特點(diǎn)，提出了塑料齒輪的設(shè)計(jì)、修正和強(qiáng)度校核方法，以及模具制造與加工的要求，進(jìn)一步提高了塑料齒輪的精準(zhǔn)性和可靠性。

　　齒輪傳動是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械傳動之一，可傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動與動力，并變換運(yùn)動方式。齒輪傳動還具有傳動平穩(wěn)、精確、效率高，且結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等特點(diǎn)。

　　在“以塑代鋼”趨勢的帶動下，中國的工程塑料工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，生產(chǎn)力不斷提高，品種和用量也在不斷增加。隨著高性能工程塑料的不斷開發(fā)，塑料齒輪已作為動力型傳動件在汽車、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，我國塑料齒輪的設(shè)計(jì)、校核等標(biāo)準(zhǔn)大多還是參考現(xiàn)行的金屬齒輪標(biāo)準(zhǔn)。由于塑料齒輪與金屬齒輪材料不同，因此對塑料齒輪的設(shè)計(jì)方法、材料選用、加工工藝及檢測方法都與金屬齒輪存在很大的差異。塑料齒輪按材料分類主要有熱固性塑料齒輪和熱塑性塑料齒輪，熱塑性塑料齒輪主要應(yīng)用于功率相對較小的傳動機(jī)構(gòu)，筆者針對熱塑性塑料齒輪提出了設(shè)計(jì)與制作的方法。

　　一、塑料齒輪的特性

　　塑料齒輪相比金屬齒輪，具有質(zhì)量輕、慣性小、耐腐蝕、耐磨損和低噪聲等特點(diǎn)，并具有良好的絕緣性，被廣泛應(yīng)用于汽車、低壓電器等領(lǐng)域。基于塑料的注塑工藝，塑料齒輪還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和著色處理。但是由于工程塑料的固有特性，使塑料齒輪具有較大的熱膨脹系數(shù)、較小的彈性模量和彎曲強(qiáng)度。

　　因此，在設(shè)計(jì)塑料齒輪時(shí)應(yīng)盡量彌補(bǔ)塑料特性的缺點(diǎn)，利用塑料特性的優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)塑料齒輪。

　　二、塑料齒輪設(shè)計(jì)

　　齒形設(shè)計(jì)

　　漸開線齒輪中心距發(fā)生變動時(shí)不影響傳動比，因此能夠承受齒輪傳動裝置所固有的中心矩誤差，并且保證在傳動過程中瞬時(shí)傳動比不變。非漸開線齒形制對齒輪中心距的誤差敏感性較大，因此非漸開線齒形制不太適用于塑料齒輪輪系。美國為塑料漸開線齒輪推出了一種新的 AGMA PT 基本齒條，其最大特點(diǎn)是齒根采用了全圓弧，適用作動力型傳動用的塑料齒輪。

　　AGMA PT 基本齒條與 ANSI、ISO 標(biāo)準(zhǔn)的齒形 ( 即 ANSI/AGMA 細(xì)齒距基本齒條、ISO 粗齒距基本齒條) 參數(shù)對比見表 1，其中齒形參數(shù)可參考圖 1。

　　齒形修正

　　為了改善齒輪的嚙合狀態(tài)，提高載荷變化的均勻性，一般都需要對齒形進(jìn)行適當(dāng)修正，塑料齒輪受外界環(huán)境和制造加工等對尺寸的影響較大，更需要重視齒形的修正。

　　齒根圓弧修正：齒根圓弧不僅可以增強(qiáng)齒根的彎曲強(qiáng)度，還可以提高注塑的流動性，避免應(yīng)力集中。圖 2 為 2 種不同齒根圓弧對齒根處所產(chǎn)生應(yīng)力水平的 3 種應(yīng)力分布圖。

　　從圖 2 可以看出: AGMA PT 基本齒條的應(yīng)力水平比 ANSI/AGMA 細(xì)齒距基本齒條低。因此，塑料齒輪應(yīng)盡量都采用全齒根圓角半徑，在不引起配對齒輪齒頂干涉的情況下調(diào)整齒根圓弧，以增加 輪齒的載荷能力。

　　齒頂修緣：當(dāng) 2 個(gè)齒輪在嚙合傳輸載荷時(shí)，由于載荷過大往往會使輪齒彎曲變形，從而會產(chǎn)生嚙合噪聲。為了補(bǔ)償這種彎曲變形，輪齒的兩側(cè)從中部到頂部需要逐漸變薄( 見圖 3) 。

　　AGMA PT 基本齒條的齒頂修緣一般可由一小段圓弧齒廓來代替(見圖 4) ，其中齒頂修緣代用圓弧半徑 R_TBR = 4 m，代用圓弧半徑的起始高度h_αTBR = 0. 5 m。

　　齒形角修正：ISO、AGMA 和 GB 等齒輪標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的齒形角為 20°，增加齒形角可以降低齒輪彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力，從而提高齒輪強(qiáng)度并減少磨損，但是增加齒形角會使齒頂寬度和齒根圓角半徑減小，而減小齒形角可以提高齒輪的重合度。

　　當(dāng)齒輪傳動載荷方向是變化的或是不一致時(shí)，為了滿足 2 個(gè)方向的不同工作要求，可以設(shè)計(jì)不同的齒形角(見圖 5) 。例如，用于承載負(fù)荷的齒輪齒側(cè)，增大其齒形角，可有助于降低接觸應(yīng)力; 而將用于非承載負(fù)荷的齒輪齒側(cè)設(shè)計(jì)為小齒形角，可以增加齒頂厚度和齒頂高。反之，用于承載負(fù)荷的齒側(cè)為小齒形角，可以提高重合度或減小工作嚙合角; 而將用于非承載負(fù)荷的齒輪齒側(cè)設(shè)計(jì)為大齒形角，可以起到增強(qiáng)輪齒彎曲強(qiáng)度的作用。

　　這種非對稱金屬齒輪往往受加工工藝的影響而無法實(shí)現(xiàn)，對于塑料齒輪則可以通過采用線切割成型的加工工藝實(shí)現(xiàn)，因此塑料齒輪可以根據(jù)工作要求來適當(dāng)調(diào)整齒形角。

　　平衡齒厚：在齒輪設(shè)計(jì)中，一般嚙合的 2 個(gè)齒輪齒數(shù)設(shè)計(jì)不同，而模數(shù)和壓力角相等，這會導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來的2 個(gè)齒輪的齒根部分寬度相差很大。齒數(shù)較少的齒輪齒根寬度相對較小，在承載運(yùn)動時(shí)，小齒輪會成為該齒輪副強(qiáng)度的最弱處。為了優(yōu)化齒輪的承載能力和嚙合側(cè)隙，應(yīng)增加小齒輪的齒根厚度，同時(shí)減少相嚙合的大齒輪的齒根厚度，使小齒輪的齒根厚度等于或略大于大齒輪的齒根厚度(見圖 6) 。如果采用變位系數(shù)來平衡齒厚，則可以使小齒輪正變位，而大齒輪負(fù)變位。

　　齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　塑料齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與材料物性和注塑成型工藝相適應(yīng)，在設(shè)計(jì)齒輪的輪緣和輪轂時(shí)，需要注意壁厚、尖角、加強(qiáng)筋等要求。

　　在保證齒輪整體強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量滿足整體結(jié)構(gòu)的壁厚均勻，這不僅利于注塑生產(chǎn)、降低材料成本，而且還能在一定程度上增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。常見的齒輪結(jié)構(gòu)見圖 7。

　　為便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，筆者選取齒輪齒壁厚作為標(biāo)稱壁厚，輔助結(jié)構(gòu)的壁厚可以參考表 2 以標(biāo)準(zhǔn)壁厚為基準(zhǔn)進(jìn)行選擇?？紤]塑料件在注塑冷凝過程中存在收縮現(xiàn)象，一般壁厚不應(yīng)超過 4 mm。為了減少收縮給齒輪帶來的精度問題，應(yīng)該避免在腹板上設(shè)計(jì)通孔，且在腹板上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋時(shí)，也需要注意加強(qiáng)筋的布局，盡量在齒輪兩側(cè)交錯(cuò)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，防止塑料件出現(xiàn)高、低收縮區(qū)的影響。

　　三、塑料齒輪常用材料

　　熱塑性塑料齒輪常用的材料主要有聚甲醛 (POM) 、尼龍(PA) 、聚碳酸酯(PC) 、聚酯(PBT) 、聚苯硫醚(PPS) 、聚醚醚酮(PEEK) 等。

　　POM 是常用也是最重要的塑料齒輪材料，一般為塑料齒輪的首選材料。POM 具有優(yōu)越的物理性能，耐磨性、耐疲勞、高剛度，且具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和尺寸穩(wěn)定性。但由于 POM 收縮率大、熱變形溫度低，因此 POM 齒輪不太適合應(yīng)用于環(huán)境問題較高的場合。

　　尼龍 66( PA66) 和尼龍 46( PA46) 具有良好的堅(jiān)韌性和耐用度，特別是改性 PA 材料的力學(xué)性能更優(yōu)。但是由于 PA 具有較強(qiáng)的吸濕性，會引起塑料齒輪性能和尺寸的變化，因此 PA 齒輪不太適合在環(huán)境濕度較大的場合下使用。

　　PC 具有優(yōu)良的抗沖擊性能，硬度高、收縮率低和吸水率低，且具有較好的尺寸穩(wěn)定性。但由于 PC 不具自潤性，易磨損，因此 PC 齒輪主要應(yīng)用于使用壽命低、載荷小的玩具產(chǎn)品。

　　PBT 具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性，且塑料表面光滑，具有良好的機(jī)械傳動性能，但是缺口沖擊強(qiáng)度相對較低。

　　PPS 具有較高的硬度，尺寸穩(wěn)定性好，且具有耐疲勞和耐化學(xué)性能等特點(diǎn)，可以長期在 200 ℃ 以 上的溫度條件下使用。

　　PEEK 是一種半晶態(tài)的高分子聚合物，是塑料齒輪中的頂級材料，PEEK 不僅具有耐高溫、綜合力學(xué)性能高、耐磨損和耐化學(xué)腐蝕等特性，還具有低吸水性、高韌性和耐沖擊性。由于 PEEK 價(jià)格昂貴，因此 PEEK 齒輪主要應(yīng)用于飛機(jī)及軍用場合。

　　四、塑料齒輪強(qiáng)度校核

　　塑料齒輪具有噪聲低、抗腐蝕、慣性小，且制作成本低，可在無潤滑條件下傳動等優(yōu)點(diǎn)。但是由于塑料齒輪的彈性模量低、機(jī)械強(qiáng)度低、熱傳導(dǎo)性差、熱膨脹系數(shù)大等缺點(diǎn)，限制了塑料齒輪在一定高載荷、高轉(zhuǎn)速和高溫度場合下的使用。

　　塑料齒輪常見的失效形式主要有斷裂和磨損 2 種類型(見圖 8) 。齒根附近斷裂大多是由于過載或疲勞超過了材料疲勞極限造成的; 節(jié)點(diǎn)附近斷裂或磨損大多是由于材料的抗熱能力差，在齒輪嚙合過程中輪齒齒面摩擦引起的溫升以及機(jī)械負(fù)荷的共同作用下，齒面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，如果中心距安裝過大也會導(dǎo)致齒輪節(jié)點(diǎn)附近斷裂或磨損; 而過度磨損導(dǎo)致齒面變薄主要是由于沒有潤滑導(dǎo)致的，或接觸面之間發(fā)生了粘著磨損，如接觸面之間有顆?；蚰p碎屑等。

　　目前有關(guān)塑料齒輪強(qiáng)度計(jì)算的理論及標(biāo)準(zhǔn)比較少，大多技術(shù)人員以金屬齒輪的強(qiáng)度計(jì)算方法為參考，通過修改某些系數(shù)來計(jì)算或評估塑料齒輪的強(qiáng)度，然后再通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證該強(qiáng)度是否滿足使用要求。目前主要采用路易斯方程校核輪齒的彎曲強(qiáng)度，采用赫茲應(yīng)力公式計(jì)算齒輪的齒面接觸強(qiáng)度，筆者以直齒輪強(qiáng)度校核計(jì)算為例。

　　塑料齒輪一般會進(jìn)行齒形修正，因此齒頂受全負(fù)荷的假設(shè)不成立。由于塑料齒輪的注塑加工誤差及工藝要求，計(jì)算分析時(shí)一般不考慮齒根圓角的應(yīng)力集中，但是需要考慮齒寬方向的實(shí)際接觸寬度。齒輪的強(qiáng)度涉及的因素較多，計(jì)算分析時(shí)必須嚴(yán)格考慮各種因素對強(qiáng)度的影響。

　　齒根彎曲強(qiáng)度校核

　　齒根的許用轉(zhuǎn)矩 T_Fp按以下公式計(jì)算:

　　式中: σ_b 為齒根最大彎曲應(yīng)力，MPa; b 為有效齒寬，mm; d 為齒輪的分度圓直徑，mm; Y 為節(jié)點(diǎn)附近的齒形系數(shù)，見表 3 ; Z 為齒數(shù)。

　　齒根的最大許用彎曲應(yīng)力 σ_b 為:

　　式中: σ'_b 為標(biāo)準(zhǔn)條件下的齒根許用最大彎曲應(yīng)力，MPa，見圖 9; K_V 為速度修正系數(shù)，見圖 10; K_T 為溫度系數(shù)，見圖 11; K_L 為潤滑系數(shù); K_M 為材質(zhì)系數(shù); K_G 為材料強(qiáng)度修正系數(shù); C_s 為使用系數(shù)。

　　塑料齒輪的模數(shù)相對較小，一般取 0. 8 ～ 2，當(dāng)齒輪模數(shù)小于 0.8 時(shí)可參考模數(shù) 0.8 的最大許用彎曲應(yīng)力，而模數(shù)大于 2 時(shí)，需要取低于模數(shù) 2 的最大許用彎曲應(yīng)力。

　　在環(huán)境溫度較高的情況下需要對溫度補(bǔ)償，一般可以通過齒輪的彎曲強(qiáng)度和溫度關(guān)系來修正(見圖 11) 。

　　雖然塑料齒輪相比金屬齒輪具有自潤滑效果，但是在大多數(shù)情況下還是會增加潤滑脂以提高潤滑效果。齒輪在無潤滑情況下，一般 K_L 取 0.75; 用油脂初期潤滑時(shí) K_L 可取 1.0。

　　塑料齒輪應(yīng)盡量與塑料齒輪進(jìn)行嚙合，如與金屬齒輪嚙合時(shí)，對金屬齒輪應(yīng)相適應(yīng)地降低粗糙度要求，否則容易磨損塑料齒輪齒面。塑料齒輪與塑料齒輪嚙合時(shí)，K_M 可取 1.0; 塑料齒輪與金屬齒輪嚙合時(shí)，K_M 可取 0.75。

　　常見的 POM 齒輪材料強(qiáng)度修正系數(shù)見表 4，使用系數(shù)參考表 5(其中 1 ～ 4 號表示 POM 齒輪一天的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間分別為 24 h、8 ～ 10 h、3 h 和 0.5 h) 。

　　齒面接觸強(qiáng)度校核

　　一般塑料尺寸在有潤滑的條件下磨損量比較小，但在沒有潤滑的條件或一定壽命后潤滑效果下降后，塑料齒輪很容易磨損并出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。根據(jù)赫茲應(yīng)力公式對塑料齒輪的齒面接觸強(qiáng)度 σ_H 進(jìn)行校核。

　　式中: F_t 為齒面所受的圓周力，N; u 為齒數(shù)比; E₁、E₂ 為材料的彈性模量，MPa。

　　該塑料齒輪的強(qiáng)度校核計(jì)算方法主要是基于某幾種常用的工程塑料的基本性能數(shù)據(jù)，而隨著目前改性的工程塑料的發(fā)展與應(yīng)用，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對塑料齒輪的強(qiáng)度理論研究及實(shí)驗(yàn)分析。

　　五、塑料齒輪的制作與加工

　　塑料注塑成型的收縮特性是影響塑料齒輪精度的主要因素，因此塑料齒輪模腔的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。一般塑料件注塑收縮大多為各向等比例收縮，而塑料齒輪在其漸開線齒形上的收縮量是非線性的，增加了漸開線塑料齒輪模具型腔的設(shè)計(jì)難度。

　　如果將塑料齒輪的模腔設(shè)想為一個(gè)假想的齒輪，而該齒輪的齒數(shù)不變，根據(jù)齒輪分度圓直徑 d = mZ 可知，在加工齒輪模腔過程中，考慮收縮率而使齒輪分度圓直徑的變化，就相當(dāng)于齒輪模數(shù)的變化。

　　塑料齒輪模腔的齒輪模數(shù) m'為:

　　式中: δ 為塑料收縮率。

　　齒輪模腔的其余參數(shù)可由 m'代入計(jì)算求得。這種計(jì)算方法也被稱為變模數(shù)法。

　　塑料齒輪在注塑成型的過程中，塑膠熔體會以注塑澆口為中心收縮，因此澆口的位置對齒輪圓度影響較大，澆口的分布形式對塑料齒輪的力學(xué)性能也有較大影響。為了提高塑料齒輪的精度，盡量 采用多點(diǎn)分布式澆口，且澆口在同一圓周上均勻分布，這種澆口布局會大大縮短熔接痕形成時(shí)間，且形成的低收縮區(qū)傾向也會減小(見圖 12) 。

　　模具的制造還需要關(guān)注排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和等位結(jié)構(gòu)等常用的模具設(shè)計(jì)要求。塑料齒輪的注塑工藝皆與塑料的收縮相關(guān)，因此控制合理的收縮率才能制造出高精度的塑料齒輪，其中模具溫度、注塑壓力和保壓時(shí)間對塑料齒輪成型的收縮率具有重要影響。

　　六、結(jié)語

　　塑料齒輪已經(jīng)在很多領(lǐng)域中確立了傳統(tǒng)金屬齒輪的替代品地位，隨著熱塑性塑料的發(fā)展，熱塑性塑料齒輪也逐步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。塑料齒輪具有很多金屬齒輪不具備的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一定的缺陷，因此在設(shè)計(jì)階段不僅需要進(jìn)行精確計(jì)算和校核，還必須制造出合理、精確的齒輪模具，同時(shí)配以合理的注塑工藝才能實(shí)現(xiàn)。

　　筆者提出的關(guān)于塑料齒輪的齒形設(shè)計(jì)、齒形修正和強(qiáng)度校核方法，以及模具制造與加工的基本要求，有助于提高熱塑性齒輪的可靠性。

　　參考文獻(xiàn)略.