塑料齿轮设计指南

GE塑料的设计指南

GE

Plastics

塑料齿轮设计指南

GE塑料的设计指南

目录

齿轮的类型和排列齿轮的运动

塑料齿轮的设计应力分析 弯曲应力 安全系数 接触应力整体塑料齿轮设计 轮齿设计 部件总体设计 齿轮的布局 组装 部件组合测试齿轮失效机理材料

润滑添加剂 增强材料 齿轮副

塑料对塑料的磨损 高温齿轮

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

2 3 4 6

13 14 15 19

GE塑料的设计指南

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。

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。

1

GE塑料的设计指南

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，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。单斜齿轮既施加轴转力更小。

图 1 正齿轮图 4 双斜（人字）齿轮图 7 蜗轮2

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 2 内啮合正齿轮图 3 斜齿轮

图 5 伞形齿轮图 6

端面齿轮

图 8 单包络蜗轮图 9 双包络蜗轮

GE塑料的设计指南

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 …… 此处隐藏：12811字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……