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1、塑料齿轮轮的设计计和制造造介绍一塑胶齿齿轮优缺缺点和应应用相对金属属齿轮，塑塑料齿轮轮具有质质量轻、工工作噪音音小、耐耐磨损、无无须润滑滑、可以以成型较较复杂的的形状、大大批量生生产成本本低等优优点。但但由于塑塑料本身身具有收收缩、吸吸水，相相对金属属强度也也比较弱弱，对工工作环境境要求高高，对温温度较敏敏感等特特性。因因而，塑塑料齿轮轮同时就就有精度度低、寿寿命短、使使用环境境要求高高等缺点点。随着着新材料料的应用用及制造造技术的的发展，塑塑料齿轮轮的精度度越来越越高，寿寿命也越越来越长长，并广广泛应用用于仪器器、仪表表、玩具具、汽车车、打印印机等行行业。二塑料齿齿轮的模模具制造造方法由于塑
2、料料制品成成型收缩缩，因此此阴模尺尺寸要较较制品尺尺寸大。见见附图：因而标准准的齿轮轮制品意意味着不不标准的的阴模尺尺寸。这这就对阴阴模的制制造提出出了严格格的要求求。以下下是常用用的两种种阴模制制造方法法1.先制制作一母母齿轮，然然后通过过铸造、电电火花加加工、电电铸等方方法制作作母齿轮轮。如：涡轮、涡涡杆、锥锥齿轮。2.不需需母齿轮轮，直接接线切割割制作阴阴模。常常用于正正齿轮，斜斜齿轮。2.1母母齿轮的的制作方方法前面所提提，母模模要比制制品大，因因此标准准制品齿齿轮就必必须由特特殊母齿齿轮制作作特殊的的阴模。特特殊的母母齿轮就就需特殊殊的切齿齿刀来加加工。通常方法法：（1）特特殊模数数
3、的切齿齿刀具（2）加加上成型型收缩率率的余量量用特殊殊压力角角的切齿齿道具（3）加加上成型型收缩率率的余量量用标准准切齿刀刀具（4）不不需添加加余量用用标准切切齿刀具具以下是各各种方法法的详细细介绍（1）特特殊模数数的切齿齿刀具制作一个个特殊模模数的切切齿刀具具，其压压力角为为标准压压力角。在在制作这这个切齿齿刀具时时必须考考虑到成成型收缩缩率以及及后面要要讲到的的阴模制制作法所所规定的的修正值值，然后后用这个个特殊刀刀具来加加工母齿齿轮。假设要制制作下面面的成型型齿轮时时 Z=330 m=11 d=m*ZZ=300mm假假设成型型收缩率率与根据据阴模制制作法所所得到的的修正值值之和为为2。则
4、则要求母母齿轮的的各参数数为 Z=30 m=11.022 d=m*zz=300.6mmm根据这个个方法制制作出来来的齿轮轮能得到到比较正正确的齿齿形。但时时间长，成成本较高高。(2)加加上成型型收缩率率的余量量用特殊殊压力角角的切齿齿道具加上成型型收缩率率的余量量用标准准的切齿齿刀具来来制作母母齿轮时时会造成成齿形的的偏移，用用节点上上的压力力角的变变化来表表示的话话如下公公式所示示。 Cossa1=d1ccosaa2/dd2 a1:加工齿齿轮模型型用的切切齿刀具具的压力力角d1:已已经考虑虑了收缩缩率的分分度圆直直径（母母齿轮的的分度圆圆直径） d1=d2/(1-s/1100) ss:为收缩
5、缩率a2:标标准齿轮轮的压力力角（一一般为20度或者者为14.5度）d2:标标准齿轮轮的分度度圆直径径（制品品的分度度圆直径径）所以 ccosaa1=ccosaa2/(1-ss/1000)现有一个个压力角角为20度的制制品齿轮轮，成型型收缩率率和所要要的切齿齿刀具的的压力角角之间的的关系如如下：成型收缩缩率切齿刀具具的压力力角1a1=118.3342%a1=116.4493%a1=114.3364%a1=111.881（3）加加上、成成型收缩缩率的余量量用标准准切齿刀刀具加上一个个相当于于成型收收缩率的的余量用与成成型齿轮轮相同的的模数、压压力角的的标准切切齿刀具具制作母母齿轮，这这时制作作出
6、的母母齿轮其其压力角角常常比比标准的的大。但但是由于于使用的的是标准准工具，与与（1）、（2）相比比在交货货期及成成本方面面比较有有利。如如不存在在压力角角的偏移移问题时时，这个个方法比比较简单单常常被被采用。除除周节误误差、压压力角误误差外，其其它方面面与（1）、（2）等方方法没有有多大的的差别。（4）不不需添加加余量用用标准切切齿刀具具由于模型型齿轮的的分度圆圆直径中中不含有有成型收收缩率，所所以，成成型齿轮轮的分度度圆的直直径等于于风度圆圆直径减减去成型型收缩率率。如果果所用材材料成型型收缩率率很小的的话，以以及分度度圆本身身很小，侧侧此方法法非常使使用。2.2齿齿轮模具具阴模制制作方法
7、法（1）铍铍铜合金金铸造法法在运用铍铍铜合金金只制作作法时，从从铸造性性、硬度度、强度度等方面面考虑一一般采用用含铍量量为2.52.775的的铍铜合合金。由于铸造造时的收收缩率为为0.220.33所以以制作母母模时需需考虑进进去。为了便于于脱模，模模具上必必须有112的脱脱模斜度度。（2）电电火花加加工以母齿轮轮做电极极用电火火花加工工法来制制作阴模模时，母母齿轮制制作除了了要考虑虑制品收收缩性，还还要把放放电间隙隙考虑进进去。一一般要进进行粗放放电加工工和细放放电加工工，而粗粗公和精精公需做做在同一一轴棒上上。在放放电加工工时，电电极垂直直度须充充分校正正。电极极材料可可以为：Tcuu Cu
8、uW BBsBmm。母齿齿轮的精精度直接接影响加加工出来来的型腔腔精度。在在决定电电火花加加工间隙隙时必须须考虑制制品收缩缩率在内内。一般般来说，底底部型的的加工间间隙为00.0550.112mmm,穿孔孔型的加加工间隙隙为0.030.006mmm。另侧侧壁锥度度大约为为0.221000。（3）线线切割加加工以铜丝或或钨丝来来加工阴阴模，加加工时须须把材料料的成型型收缩率率考虑进进去。一一般采用用慢走丝丝切割，加加工间隙隙一般为为0.0020.005mmm。可加加工斜齿齿轮和正正齿轮（4）电电铸法加加工将母模放放入电解解液中，使使金属成成积到母母模上至至所需要要厚度。母模的精度将决定电铸模的精
9、度，电铸加工一般时间比较长。沉积离子一般为镍离子。具体选择哪种方法，取决于制品精度，模具成本和加工时间。按精度等级分：铸造电火花线切割电铸高质量的的阴模除除了要有有好的加加工方法法，还要要有严格格的制作作工艺流流程。以以下是阴阴模的制制作流程程图。（间间最低页页）2.3水水口的选选择和型型腔数量量的确定定水口的位位置和数数量直接接影响到到制品的的精度和和同心度度。一般般来说采采用多针针点式水水口，336个平均均分布在在同一圆圆周上。齿齿轮外俓俓越大相相对取量量越多。直直径小于于8mmm的也会会选单一一水口。收收口的大大小与制制品的厚厚度有关关，尽可可能采用用大些的的点水口口。另，中中心针的的固
10、定和和分度圆圆的同心心度也是是相当重重要的。型型腔数量量取决于于制品的的精度要要求。最最多不能能超过4穴，每每增加一一穴，精精度减少少5。另另外，模模具材料料的选择择和水路路及排气气的设计计亦会影影响制品品精度。三齿轮的的精度与与检测及及判定 3.11齿轮的的精度与与检测设设备齿轮的检检测设备备主要有有：齿轮测测定机，三三次元测测定机，咬咬合试验验机德国马尔尔公司的的齿轮测测试设备备和日本本三丰公公司的设设备是世世界比较较领先的的设备：几乎可可以侧各各种形状状的齿轮轮及涡轮轮、蜗杆杆、齿条条等。而而且几乎乎涵盖所所有齿轮轮相关的的精度参参数。如如：齿形形、齿筋筋、齿距距等。被被侧齿轮轮与标准准
11、齿轮的的啮和测测试需要要制作（MASSTERR GEEAR）齿轮的精精度主要要是指轮轮齿的形形状精度度和位置置精度及及中心孔孔与齿轮轮节圆的的同心度度、啮和和精度。啮啮和精度度是齿形形精度和和同心度度的直接接放应。齿形精度度是指齿齿形三轴轴向的精精度，主主要包括括：齿筋筋误差、齿齿高误差差、齿厚厚误差。请请参见下下图。3.2齿齿轮精度度的判定定常用的齿齿轮精度度判定标标准有日日本的JGMMA和美国国的AGMMA .其主要要反应的的是齿的的形状精精度和位位置精度度。公法法线长度度变动量量反应侧侧隙、齿圈径向向调动反反应传动动的准确确性、齿齿形误差差反应载载荷分布布均匀性性。对塑料齿齿轮来说说，其
12、精精度直接接影响到到噪音的的产生。由由于塑料料的刚性性低于金金属，即即使采用用机械加加工法也也不能制制作出与与金属产产品想等等的精度度，但是是不同的的切割方方法也能能加工出出精度较较好的小小型齿轮轮，如表表11所示。另另外，尽尽管成型型齿轮受受阴模制制作方法法及成型型时产生生的标准准差等的的影响，但但是也能能得到象象表12所示的JISS35级的产产品。表111直齿圆圆柱齿轮轮（机械械加工的的精度）齿轮参数数单一齿距距误差相临齿距距误差累积齿距距误差法向齿距距误差齿形误差差M=0.5,ZZ=400,B=3mmm，a=220JIS00jIS22JIS001JIS22JIS33表122 PAA66直
13、齿圆圆柱齿轮轮注塑成成型精度度齿轮参数数阴模制作作方法单一齿距距误差相临齿距误差累积齿距距误差法向齿距距误差齿形误差差M=0.5,ZZ=400,B=3mmm，a=220AJIS22JIS33JIS33*JISS5*JISS8同上BJIS22JIS44JIS44JIS22JIS55同上CJIS33JIS44JIS33JIS22JIS33M=1,Z=440,BB=100mm,a=220DJIS33-4JIS44-5JIS44-5M=1.5,zz=400,b=7mmm,a=20EJIS44JIS55JIS33M=2.5,ZZ=200,B=10mmm,aa=200DJIS55JIS66JIS44注：*
14、记记号误差差大是受受压力角角误差的的影响A：加上上成型收收缩率的的余量，用用压力角角为14.5的标准准刀具制制作母齿齿轮，然然后采用用电火花花加工法法来制作作阴模。B：将成成型收缩缩率估计计在内的的特殊模模数刀具具来制作作母齿轮轮，然后后采用电电火花加加工法来来制作阴阴模。C：采用用线切割割法制作作阴模。D：用将将成型收收缩率及及铍铜的的成型收收缩率估估计在内内的特殊殊模数工工具刀制制作母齿齿轮，然然后采用用铍铜合合金铸造造法制作作阴模。E：加上上成型收收缩率的的余量，用用压力角角为20的标准准刀具制制作母齿齿轮影响齿轮轮精度的的主要因因素有；阴模精度度，注塑塑工艺，模模具及制制品结构构。当我
15、们决决定了制制品的精精度要求求时，在在找模具具厂时要要考核模模具厂是是否具备备相当的的制模设设备和注注塑设备备及检测测设备，以以及技术术能力。四塑料齿齿轮副的的结构设设计方法法齿料齿轮轮多应用用于小功功率精密密传动系系统中，其其传递的的力矩相相对较小小，结构构非常紧紧凑。鉴鉴于常用用塑胶齿齿轮多为为渐开线线小模数数（m1），正正常齿制制（ha=1）和短短齿制（ha1）。长长齿制利利于提高高齿轮副副的重合合度，降降低噪音音，提高高承载能能力；短短齿制则则重在提提高齿根根的弯曲曲强度。4.166顶隙系系数顶隙的主主要作用用是利于于滑动油油的流动动，并避避免两齿齿之间的的碰撞。在在金属小小模数齿齿轮
16、设计计中规定定顶隙系系数为c=00.255。由于于塑料齿齿轮多工工作在无无润滑的的环境中中，而且且某些齿齿轮具有有自润滑滑性能，故故顶隙的的选择根根据实际际情况进进行选择择，推荐荐顶隙系系数的选选择范围围是：c=00.10.335 .大模数数选择小小顶隙系系数。小小模数选选择大顶顶隙系数数。4.177传动质质量指标标验证传动质量量指标只只要包括括重和度度和滑动动率。在在塑料齿齿轮副设设计时，由由于塑料料是一种种弹性体体材料，它它组合了了固体的的弹性和和液体的的黏性特特征，在在承载运运动时，齿齿型变形形受加载载方式、温温度、湿湿度的影影响较大大，故而而，推荐荐重合度度适当取取大一些些，而滑滑动率
17、数数值比较较接近即即可。4.188轮公差差选取原原则目前，国国内对塑塑料齿轮轮精度还还没有成成文的标标准可以以参考。在在设计过过程中，对对齿轮公公差（不不含齿形形检测公公差）的的选择多多以经验验为主。下下面我们们以表格格的形式式给出齿齿轮常用用公差的的选取原原则，如如表1所示。表1塑料料齿轮公公差选取取原则尺寸名称称公差选取取原则示例齿顶圆直直径以负偏差差为主，即即上偏差差为0，下偏偏差为负负值Da0/-0.05齿顶圆跳跳动一般取00.055mm公法线长长度以负偏差差为主，即即上偏差差为0，下偏偏差为负负值。Wk+00/-00.055中心距以正偏差差为主，即即上偏差差为正值值，负偏偏差为0。
18、a0+0.005/00注：（11）表中13的尺寸寸公差可可参考JIS等相关关的齿形形精度标标准；（1） 啮合齿轮轮副中心心距公差差选取的的主要目目的是：在保证证齿轮正正确啮合合的前提提下便于于齿轮的的装配。此此公差选选取的经经验公司司为：minn=a+0.005m，为啮合合齿轮副副的实际际中心距距；a为啮合齿齿轮副的的理论中中心距；m为齿轮轮副模数数。4.2齿齿轮结构构设计塑料齿轮轮本质上上是一塑塑胶结构构件，只只是其主主要功能能用于动动力与运运动的传传递。因因此，塑塑料齿轮轮结构必必须遵循循传动零零件设计计和塑料料结构件件结构设设计两个个方面的的规律进进行综合合设计。根根据结构构功能不不同，
19、塑塑料齿轮轮可以分分为传动动和辅助助结构两两大部分分。其中中，传动动部分是是指轮齿齿，辅助助部分包包括轮橼橼，腹板板，轮和和加强筋筋四本份份。塑料料齿轮结结构如图图4所示。塑料结构构图图44.211轮齿设设计轮齿是实实现传动动的重要要工作部部分，是是整个齿齿轮的核核心。轮轮齿设计计应该注注意两个个方面：一是齿齿形修正正，二是是平衡齿齿厚。4.2齿齿形修正正塑料齿轮轮采用模模塑法家家工时，齿齿形成型型依靠模模具型腔腔的形状状来保证证。由于于型腔多多采用线线切割方方式加工工，因此此不存在在金属齿齿轮加工工中的根根切现象象。但没没有根切切并不意意味着齿齿形不会会产生干干涉，所所以要保保证塑料料齿轮拥
20、拥有良好好的啮合合齿廓就就必须进进行齿形形的修正正。这也也是轮齿齿设计必必须重视视的问题题。4.233平衡齿齿厚当两个齿齿轮啮合合时，由由于两个个齿轮齿齿数不等等而模数数和压力力角相等等，导致致计算出出来的两两个齿轮轮齿根部部分宽度度相差特特大。这这样在齿齿轮副承承载运动动时，齿齿根宽度度较小的的小齿轮轮成为该该齿轮副副的强度度最弱处处。为避避免这一一现象，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来调整平衡齿厚，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。4.244辅助结结构设计计塑料齿轮轮辅
21、助结结构部分分设计的的指导原原则是：在保证证齿轮整整体强度度的前提提下，力力求整体体结构壁壁厚均匀匀，以利利于注塑塑生产。为为便于结结构设计计，我们们选取齿齿轮齿厚厚作为标标称壁厚厚（T），辅辅助结构构的壁厚厚都以标标准壁厚厚为基准准进行选选择。辅辅助结构构的壁厚厚选择经经验公司司如表2所示。表2塑料料齿轮辅辅助结构构壁厚设设计名称符号壁厚计算算经验公公式轮缘厚度度R R=(1.22533)T腹板厚度度W最佳取值值：W=R；若考考虑强度度因素，则W（1.253）R轮设计H最佳取值值：H=R；若考虑虑强度因因素，则则H（1.22533）R加强筋设设计RbRbTT另外，塑塑料齿轮轮不同结结构过渡渡
22、处圆角角的取值值也应考考虑壁厚厚是否均均匀的问问题。对对过渡处处倒圆角角时可以以可以根根据实际际经验取取值。一一般：壁壁厚为t则内圆角角R1=0.55t;外外圆角R2=1.55t。4.255齿轮力力学设计计齿轮力学学设计主主要是指指对齿轮轮力学指指标的校校核计算算。塑料料齿轮主主要有表表面磨损损、热失失效和轮轮齿过载载折断三三种失效效形式，由由于塑料料为粘弹弹性材料料，温度度对塑料料的强度度等力学学性能具具有很大大影响，故故而温度度在塑料料齿轮失失效影响响因素中中占主导导地位，所所以塑料料齿轮力力学设计计主要考考虑两个个方面的的因素：一是温温度，二二是强度度。4.3温温度估算算塑料齿轮轮工作中
23、中热量产产生主要要来源有有两个：一是摩摩擦生热热，二是是滞后能能耗生热热。对塑塑料齿轮轮工作时时的轮齿齿温度计计算可以以采用，Hennri Yellle提提出的无无了润滑滑状态轮轮齿温度度计算公公司：T=TTa+kkwxvvy, T为轮轮齿温度度，Ta为周围围环境温温度，k、x、y为材料料相关系系数，w、v代表切切向力和和节圆线线速度。该该方向是是在综合合考虑速速度、载载荷和周周围环境境的影响响下给出出的，可可以用来来估算塑塑料齿轮轮工作时时齿轮的的工作温温度。显显然，该该方法计计算出的的温度值值偏大，但但对设计计而言是是可以采采用的。4.4强强度校核核由于塑料料与金属属材料本本质上存存在较大
24、大的差异异，所以以完全搬搬金属齿齿轮的强强度校核核方法来来校核塑塑料齿轮轮是不可可取的。目目前，对对塑料齿齿轮强度度校核的的方法还还为形成成统一成成熟的理理论方法法。在此此，本文文仅列出出直齿圆圆柱齿轮轮的校核核公式，以以供大家家设计参参考。公公式如下下：五塑料齿齿轮材料料的选用用 5.11塑料齿齿轮常用用塑料性性能塑料齿轮轮常用的的五大工工程塑料料为 PA、PC、POM、PBT、PPO、以下一一一介绍其其特性及及用途。PA，比比重轻，高高抗拉强强度，耐耐磨，自自润滑性性好，冲冲击韧性性优异，具具有刚柔柔兼备的的性能，可可以加工工成各种种制品来来代替金金属，但但存在吸吸湿性大大，尺寸寸稳定性性
25、差等缺缺陷。用用于要求求不是很很高的传传动件。PC，具具有突出出的冲击击韧性，透透明性和和尺寸稳稳定性，优优良的机机械强度度，适用用温度范范围宽，良良好的耐耐蠕变性性，低吸吸水性等等优点。但但不具润润滑性，耐耐磨性较较差。主主要应用用与玩具具等轻载载或短期期工作的的塑料齿齿轮。POM，高高刚性，高高熔点，减减摩，耐耐磨，自自润滑，耐耐疲劳，耐耐药品性性能优异异，制品品刚性，弹弹性，和和尺寸稳稳定性好好。相对对其它工工程塑料料价格低低廉，但但存在韧韧性差，缩缩水率大大，缺口口冲击强强度低等等缺点。适适合制作作尺寸精精度要求求精密的的，配合合要求高高的零部部件。主主要用于于各种精精密度的的小模数数
26、齿轮等等。PBT，具具有较高高的机械械强度，突突出的耐耐化学性性，耐热热性和优优良的电电性能，被广泛引引用于电电子，电电气和汽汽车工业业中。 PPOO，具有优优良的机机械性能能，耐热热性和电电气绝缘缘性，吸吸湿性低低，强度度高，尺尺寸稳定定性好，高高温下耐耐蠕变性性是所有有热缩性性工程塑塑料中最最优异的的，应用用于微波波炉器皿皿等小型型家电器器具等方方面。 PEEEK是一一种半晶晶态的高高分子聚聚合物。具具有耐高高温，耐耐磨损，耐耐化学腐腐蚀，低低噪音，低低吸湿性性，高韧韧性，和和耐冲击击性及高高强度等等特性。但但是价格格昂贵。常常用于飞飞机及武武器等的的传动部部件。通常同一一塑料材材料配对对
27、的齿轮轮会有高高的磨损损系数，PC和改性PPOO最明显。选选择不同同聚合物物可以获获得很低低的磨损损，如POM与PA666很多传动动塑料齿齿轮都添添加玻纤纤以坚化化材料。添添加玻纤纤的主要要作用：1. 增加抗拉拉伸和压压缩能力力。2. 降低线膨膨胀系数数。3. 增加使用用环境之之温度。4. 增加耐冲冲击力。但也有不不好之处处，如：降低物物件表面面光泽度度，降低低塑料注注塑过程程的流动动性，如如与原料料混合不不均会造造成内应应力及零零件各部部位机械械性能不不一致。5.2润润滑添加加剂塑料齿轮轮的传动动功能就就决定了了其必须须有良好好的抗磨磨擦及耐耐磨耗性性能，而而一般塑塑料本身身这方面面的性能能都比较较差。所所以塑料料齿轮材材料往往往会添加加一些增增强润滑剂剂。常见见之润滑滑剂有：PTFFE（铁弗弗龙）,siilicconee (硅油)石墨，MoSS2等。