标准结构篇：7）塑料齿轮轮系设计总章

本章目的：了解塑料齿轮设计常用知识

 

1.塑料齿轮的前置知识

要学习设计塑料齿轮，就需要先了解齿轮。因为塑料齿轮是齿轮中之一，其材质为塑料。

需要学习的齿轮知识包括：齿轮的定义，齿轮轮系的作用，齿轮的分类等。

 

2.齿轮

2.1 齿轮定义

齿轮是指轮缘上有齿的连续啮合传递运动和动力的机械元件。

2.2 齿轮轮系的作用

 在实际机械中，少有使用单个齿轮，往往要采用一系列相互啮合的齿轮来满足工作要求。这种由一系列的齿轮组成的传动系统称为轮系。

齿轮轮系的作用一般有：

2.2.1 改变扭矩（一般用于增大电机扭矩）

电机的扭矩是有限的，在尺寸重量规定的情况下，我们就算选用最大扭矩的电机也常常不符而设计要求。所以轮系的最大作用就是大幅度增加电机的扭矩。

2.2.2 改变转速（一般用于降低电机转速）

同理，电机的转速通常非常快，轮系的另一个作用就是大幅度减少电机的转速。

当然，降低电机转速的方法不只是一种，比如步进电机的细分驱动器就能提供降低转速作用，还有改变电机控制电流等。

2.2.3 改变转动方向（一般用于垂直于电机旋转方向）

如果设计中电机的方向位置是固定且设计要求改变转动方向，则需要用到蜗轮蜗杆等齿轮。反之，可以直接更改电机位置。

2.3 齿轮的分类

齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。

2.3.1 齿轮齿形分类

齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位等参数。
渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中 ，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。
在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。
而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。
变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备中。

2.3.2 齿轮外形分类

另外，齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮；

2.3.3 齿线形状分类

按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；

2.3.4 轮齿所在的表面分类

按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；

2.3.5 齿轮制造方法分类

按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮、注塑齿轮等。

齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。按硬度 ，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。

软齿面的齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好， 多用于传动尺寸和重量无严格限制，以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中，小轮负担较重，因此为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度一般要比大轮的高。

硬齿面齿轮的承载能力高，它是在齿轮精切之后 ，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理，以提高硬度。但在热处理中，齿轮不可避免地会产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切 ，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。

2.4 齿轮设计常用参数

 基本齿条确定齿轮齿少数几项原始数据即可计算出来。

齿轮模数是否越高越好？——不是。在齿轮直径一定的情况下，模数越大齿数越少，齿数越少，齿轮啮合时重合系数就小，就是同时参与啮合的齿数少，这是不利于齿轮传动的。
设计齿轮的原则是，只要模数满足强度要求即可，通过增加齿数，提高重合系数，改善轮齿的工作条件。

3.塑料齿轮

3.1 塑料齿轮的定义

 

3.2 塑料齿轮对比金属齿轮的优缺点

 

3.2.1 塑料齿轮对比金属齿轮的优点

塑料齿轮对比金属齿轮的优点，主要体现在噪音小、轻量化、耐腐蚀、无润滑运行等几点，如下所述：
塑料齿轮的应用,是一种满足低噪声运行要求的重要途径。这就要求有高精度、新型齿形和润滑性与柔韧性兼优的材料出现。同时,塑料齿轮在传动过程中,通过轮齿的弹性倾斜来吸收冲击载荷,能较好地分散安装轴的不平行度,齿轮径向跳动及齿距误差所造成的局部负荷变化,具有较好的吸振降噪作用。
塑料齿轮自身具有一定的自润性能,如果是采用添加有PTFE、硅油等的复合材料,齿轮即可在没有润滑的条件下长期工作。这类自润性塑料齿轮更是打印机、传真机和相机等产品的最佳选择。因为这些齿轮不需要外加润滑油剂,不会对工作环境和使用者造成污染。
与金属齿轮相比,塑料还可以釆用色母或色粉进行着色处理,使模塑齿轮具有各种各样鲜艳美丽的色彩。在电动玩具、石英钟表等产品中装配这类五颜六色的齿轮,既显得美观大方,又方便装配操作。
与金属齿轮相比,塑料齿轮还比金属齿轮轻、惰性好,可用在金属齿轮易腐蚀、退化的环境中,例如水表和化学设备的控制。
但就作者看来，本质上，塑料齿轮能代替金属齿轮的根本原因，还是因为其制造成本低和时间短（注塑工艺代替机械加工），也就是“以塑代钢”大趋势的作用。

3.2.2 塑料齿轮对比金属齿轮的缺点

与金属齿轮相比,当前塑料齿轮的最大弱点在于它的弹性模量较小,其轮齿的弯曲强度、齿形和尺寸精度较低。齿轮用热塑性材料种类繁多,其发展由于缺乏有关这类齿轮强度、磨损、磨耗和使用寿命等可靠的计算方法和可靠数据而受到限制。
因此,在动力传动中,设计人员提出塑料齿轮的“以塑代钢”方案备受质疑的现象时有发生。对于汽车动力传动等用塑料齿轮,通常要求按产品设计特性规范,通过对样机特性和寿命的型式试验来验证轮系的设计和材料选择的可行性。
与塑料齿轮相比,金属齿轮的机械强度高、刚性好、温度和湿度变化对尺寸稳定性的影响小。而塑料齿轮则有较大的线胀系数,没有玻纤增强的工程塑料,如尼龙(PA66)和聚甲醛(POM)的线胀系数是碳素钢(Q235)的8~9倍左右。因此,一对齿轮在高温下工作,设计人员必须对这种热膨胀情况予以充分的考虑,否则会因为在高温下轮系的顶隙或侧隙过小而发生“胶合”,而在低温时又出现啮合重合度过小等问题。

3.3 塑料齿轮的分类

 

3.4 塑料齿轮成型工艺

 

 

4.塑料齿轮设计材料选择