本章目的：详解塑料齿轮轮系设计步骤，设计出漏洞少的动力型塑料齿轮轮系。

 

1.前言

本篇博文只是对机械手册上的内容进行详细的解读，更加详细的内容见机械设计手册第六版第三卷。

但作者见实例中有些尺寸公差明显高于普通注塑件制造能力（如中心距公差），所以后期写实例时会进行些调整。

 

2.齿轮轮系设计步骤

2.1 了解轮系的工作任务与环境条件

1.确定齿轮的工作任务

改变方向？速度？扭矩？

2.工作环境等要求

作环境及其温度范围，安装空间及其使用寿命等要求进行详细调査了解，尽可能多的收集相关数据

 

2.1.1 所设计的塑料齿轮轮系的类型

这是最优先需要做的事情：依据设计要求，确认所设计塑料齿轮轮系的类型。

塑料齿轮依据功能分类，可分为运动型塑料齿轮和动力型塑料齿轮。

运动型塑料齿轮：传递载荷轻微的仪器、仪表及钟表用齿轮。

动力型塑料齿轮：传递载荷较大的汽车（雨刮、摇窗、启动电机等）及减速器用齿轮。

从功能分类可以看出，实际上我们所设计的大部分塑料齿轮，都是要求power型的。例如各种电机对应的塑料齿轮轮系基本都是。

但作者所知，国标中并没有针对power型的塑料齿轮齿形标准，作者也仅仅是找到美标中有。“塑料齿轮齿形尺寸”ANSI/AGMA 1106-A97推出的AGMA PT(PT 为 Plastic Gearing Toothform的缩写）为适应动力传动塑料齿轮设计的基本齿条。

关于塑料齿轮标准的选用，参考下图：

如果选错标准，当然就像选错鞋码，错误不断，怎么走怎么疼。

 

塑料齿轮按照制造工艺划分，又可以分为热塑性塑料齿轮和热固型塑料齿轮。

热塑性塑料齿轮：主要用于功率较小的传动齿轮，模数较小，仍多为m

热固型塑料齿轮：主要用于模数较大，强度较高的动力传动齿轮。

但热固型塑料齿轮的加工方式为机械加工，比金属齿轮并没有量产上的优势。所以现在的塑料齿轮，都希望采用注塑加工的热塑型塑料齿轮，并且在材料和齿形设计上寻求优化。

材料上变成增加玻纤、PTFE等混料，设计上采用更加稳健的齿形（AGMA PT 就是），注塑模具更加精密（这个国内发展并不好）。

 

2.1.2 塑料齿轮主要工作任务

 

2.1.3 工作环境、温度范围、安装空间、使用寿命等

 

2.2 拟定轮系初步设计方案和轮齿的主要参数 

根据所收集到的数据，拟定轮系初步设计方案（齿数、模数、压力角、直齿或斜齿齿轮），选用齿轮材料的类型等

 

 

 

2.3 轮系参败的设计计算

运动型传动轮系对强度的要求低，轮系参数设什时的风险很小，对齿轮强度一般不做过多的考虑要求。在设计时，可沿用金属仪表齿轮的设计步骤与方法，只是对个别参数作一些调整或处理（见 表14-10-25 实例一）。设计这类轮系最東要的一点，是确保相互啮合轮齿之间冇足够的齿侧间隙， 以防传动卡滞或卡死现象出现（有回隙要求的轮系例外）。

而动力型传动轮系，由于所需传输负荷较大，因此，塑料齿轮的承载能力和失效形式也就成为其设计者所关注的首要问题。在设计时，可采用AGMA PT的基本齿条和三种试验性基本齿条（也属于AGMA PT）计算齿轮几何尺寸的步骤与方法（见表14-10-25 实例二）

 

2.4 塑料轮系齿轮的精度级別

由于受到材料收缩率、注塑工艺、设备、模具以及热膨胀等多种因素的影响，注塑成型齿轮精度比较低，一般为国标9~10级或10级以下。滚切加工塑料齿轮精度为国标7~8级或8级以下。

 

2.5 避免齿根根切和齿顶变尖的验算

当小齿轮的齿数<17吋，直齿轮的齿根可能出现根切，随着齿数的减少根切愈严重，这种齿根根切是塑料齿轮所不允许的。在设计中，一般都可以通过正变位加以避免。
对于ha=1，a = 20°的直齿轮，避免根切的最小变位系数按下式计算

 

符合AGMA PT三种试验性基本齿条所设计的少齿数齿轮，由于齿顶高系数大于1，避免根切需用式

 

作出判断（见表 14-10-18) 。

设计少齿数齿轮，当选用的正变位较大时，特别是采用AGMA PT三种试验性基本齿条，轮齿齿顶又会出现“变尖”现象。这也是塑料齿轮所不允许的，可通过调整齿顶圆直径来避免齿顶变尖。
有关以上避免齿根根切和齿顶变尖的验算，参见本章10.2.4节中相关公式。

 

2.6 调整中心距满足轮系最小侧隙要求

采用渐开线齿形制的四大优点之一，是轮系中心距变动不会对传动比和啮合质量产生影响。为了保证轮系在啮合过程中不出现“胶合”和“卡死”现象，就必须保证轮系在极端条件下的最小侧隙要求。这种最小侧隙是通过增大轮系的工作中心距来实现的，有关中心距的调整量可用下式进行计算。该式已考虑对轮系中心距所造成影响的各主要因素：

线胀系数通常吋在材料供应商提供的物性表中查到。而吸湿所引起的膨胀一般很难查到，而且它又不等于通常物性表中的吸水率，如果轮系不是暴露在高湿度下工作，大多数塑料的吸湿膨胀量是很微小的；并且当注塑应力的逐渐释放致使塑件产生轻微收缩时，其吸湿膨胀可能被抵消。

但对于如尼龙类吸湿材料，吸湿膨胀也许比热膨胀更为重要。一些常用齿轮塑料的许可吸湿膨胀如下表所示。

对于表中没有列出的材料，建议用聚碳酸酯的数据替代低吸湿性材料，用尼龙PA66的数据替代吸湿性齿轮。

 

 

2.7 轮系重合度的校核

对金属小模数齿轮传动的重合度要求一般取ε>1.2,而对塑料齿轮传动的重合度应该比金属齿轮更大一些。当圆柱直齿轮几何参数确定之后，可按式(2-4)进行轮系重合度的校核：

 

2.8 轮系承载能力的评估

根据所选用材料的拉伸强度和轮系所传输的功率，参见本章10.2.6节中的齿轮承载能力、强度与寿命评估，本节示例中从略。

 

2.9 制定轮系参数表

 

2.10 依据DFM注塑件设计准则，绘制齿轮产品图

壁厚均匀、加强筋、圆角。

 

3.动力型塑料齿轮暂时没有国标

动力型塑料齿轮指的是：传递载荷较大的汽车（雨刮、摇窗、启动电机等）及减速器用齿轮。

但为什么很多公司用国标标准设计的尺寸也能用在传递动力上。

答案是，将就着用呗，还能怎么样？

 

 

 

 

 

总结与设计流程建议
明确需求：负载、转速、空间、寿命。

 

初选材料：根据负载和环境初定材料（如POM, PA）。

 

估算模数：通过类比或初步计算确定模数m，取标准值。

 

确定齿数：根据传动比和空间限制，确定z₁, z₂，注意避免根切。

 

计算几何尺寸：计算分度圆、齿顶圆、齿根圆、中心距等。

 

强度校核：这是必须步骤！ 使用VDI 2736或修正的Lewis公式进行弯曲强度和接触强度校核。如果不满足，返回第3步增大模数或第4步增加齿宽。

 

引入变位：为优化性能（如避免根切、平衡强度）进行变位设计，重新计算几何尺寸。

 

考虑工艺：根据材料收缩率设计模具型腔，并设计合理的齿轮结构（如加强筋、均匀壁厚）以利于注塑。

 

制定公差：根据GB/T 38192确定合理的精度等级和公差。

 

试模与测试：制作样件，进行台架测试，验证性能和寿命是否达标。根据测试结果进行迭代优化。

 

强烈建议：使用专业的齿轮设计软件（如KISSsoft、Romax等），它们内置了塑料材料库和强度计算方法，可以极大地简化计算和优化过程，并自动生成准确的图纸。