塑料齿轮设计指南

LNP*专科化合物塑料齿轮设计指南2沙伯基础创新塑料2沙伯基础创新塑料沙伯基础创新塑料3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。导言目录齿轮的类型和排列4齿轮的运动5塑料齿轮的设计应力分析•弯曲应力•安全系数•接触应力7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8测试15齿轮失效机理16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17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21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。4沙伯基础创新塑料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。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221/2°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，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端面齿轮齿轮的类型和排列沙伯基础创新塑料5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（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。齿轮行动6沙伯基础创新塑料在图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能退化。图10b结束接触时节线分度圆节线分度圆驱动齿轮驱动齿轮驱动齿轮图10a开始接触时从动齿轮节线分度圆驱动齿轮节线分度圆齿轮设计沙伯基础创新塑料7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Sb=弯曲应力F=节线上切线方向上的轮齿负载Pd=径节f=齿宽Y=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(rpm)Lewis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)Cs=服役系数描述齿轮的输入扭矩和工作周期性质的典型服役系数有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。表1服役系数负载类型248-10间歇性偶然性小时/天小时/天3小时/天1/2小时/天稳定1.251.000.800.50轻度冲击1.501.251.000.80中度冲击1.751.501.251.00重度冲击2.001.751.501.25塑料齿轮的设计应力分析8沙伯基础创新塑料下标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