关于渐开线塑料齿轮设计制造方法的讨论

mrmrw

这个帖子是我在别的论坛发起的！
为了支持这个论坛，我把这个帖子转到这个论坛中，希望版主不要删帖！

mrmrw

现在塑胶齿轮已经在很多的场合中使用了，但是到现在为止还没有见到一本关于塑胶齿轮设计的图书。现在的塑胶齿轮很多都是借鉴金属齿轮的设计思路，但是很多时候金属的设计思路难以符合塑胶齿轮的设计。本人先列举一下问题，希望高手能参加讨论： 1 关于根切：塑胶齿轮都是用模具注塑而成，在加工过程中依然在根切，虽然线割是根据齿形加工的，是仿形的加工方法，与金属滚齿加工是有差异的。 2 关于模数：金属齿轮形成了一整套的模数系列成为标准模数，而这个标准模数的建立是以方便加工提出的，就是想用一把刀具尽可能加工多种齿轮而已。但对于塑胶模具而言，一套齿轮模只能注塑一种齿轮，加工过程是线割的，因此模数可以随便设置，只要绘出齿形就可以作出，根本不用考虑模数是否标准。 3 变位：金属齿轮的变位是从安装的角度提出的，是根据渐开线的可分性提出齿轮的变位思想的。这种变位思想从而引申出齿轮变位后强度、根切等其他的问题。这种思想的建立是以金属简化为刚体为模型的，但是现在塑胶齿轮的各种性能和金属根本是不同的，塑胶齿轮的变位对齿轮的影响主要是安装，其次才是强度。 4 压力角：现在一般的压力角都是20或者14.5或22.5等。但是考虑塑胶的变形比较大，即使是设计压力角为20，但是实际的塑胶齿轮的啮合压力角也不会就是20，变形的影响对压力角的影响应该是很大的，此时不用简单的把塑胶齿轮简化为刚体模型进行分析了。因此，如何考虑实际的压力角才是最有实际意义的。 5 内齿参数计算：金属齿轮内齿的参数计算是根据刀具参数来定的。但是如果是塑胶齿轮的内齿，根本不会涉及刀具的问题，也是线割的，此时的计算公式与金属的根本不同。但是到目前未知本人还没有找到一个可以参考的计算方法，如果有那位仁兄知道望不吝赐教！ 先写这些了，望高手之处不当之处！欢迎大家提出自己的见解！
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更正了关于根切的说法！

[ 本帖最后由 mrmrw 于 2008-1-10 15:47 编辑 ]

mrmrw

6 对于塑胶蜗轮蜗杆副，一般都是用塑胶斜齿轮代替实际的蜗轮进行设计，斜齿轮的螺旋角就是蜗杆的导程角。其力学校核的方法也与金属的差别很大。金属是基于刚体模型进行的力学校核，但是塑胶的校核应考虑到塑胶受热时温度上升导致的强度等力学指标下降。详细的校核方法可以参考“塑胶齿轮设计精要”。

mrmrw

7 关于塑胶齿轮非标准化设计的分析
目前，金属齿轮已经实现模数和压力角的标准化，其标准化的依据是便于加工。但是根据齿轮正确啮合的条件：m1*cosα1=m2*cosα2可以知道，只要满足这个等式就可以设计出正确啮合的两个齿轮。塑胶齿轮是通过模具注塑而成，因此不存在加工的难易，故可以将塑胶齿轮设计成非标准的齿轮，而且这样设计有意向不到的好处，分析如下：
考察cosa函数：在（0，π/2）的区间内，余弦函数是减函数，即a越大cosa越小。如果m1和a1取标准的，例m1=1,a1=20，这时可以设计出一个很理想的非标准的配对齿轮，而且这个齿轮的模数和压力角都变大了。在齿轮设计时压力角和模数增大都能提高齿轮的综合强度，这样对于需要输出动力的齿轮而言综合强度的提高是益处多多的。
因此，塑胶齿轮的设计思路可以变得更加开阔也更有实际的使用价值。

mrmrw

其实即使是塑胶齿轮和金属齿轮的啮合也不一定设计成标准的，其实应该这么说比较合适：对于滚齿和插齿的成型方式的齿轮啮合采用标准的设计是为了提供刀具的利用率；如果我的金属齿轮是压铸的或者是粉末冶金的，那我也没有不要设计成标准的。
其实齿轮的标准设计的出发点就是考虑刀具也就是考虑加工的方便而已，如果我们现在是不用刀具了，那这一个设计标准的出发点也就不存在了。
因此，齿轮设计是否标准要根据齿轮的加工方式而定，而不是不管什么方式一定要做成标准的！
根据一些经验看，塑胶齿轮的压力角取大一些，比如22.5，25等要比20度的压力角好很多的！

mrmrw

8关于齿轮成型方式的思考
对于齿轮这一研究了上百年的机械产品，其加工方式主要是成形法和范成法，这两种加工齿轮的方式都基于齿轮刀具的运动实现对齿形的加工的，为了便于提供齿轮加工的效率，于是提出了齿轮的设计标准，而且引伸出一系列的理论分析和加工方法。这一点尤其是在内齿的设计中体现的非常明显，只要是变位的内齿，设计参数一定要考虑刀具的参数，因为刀具是变位的，变位的刀具加工变位的内齿对内齿的齿形的影响是非常明显的。
但是随着加工技术的发展，注塑、压铸和粉末冶金技术的出现改变的齿轮的加工方式，这些加工方式都是以模具或模型的形式实现齿轮的成型的，整个加工过程中只需要绘制出齿轮的齿形图，然后通过线割等形式加工出模具就可以加工出齿轮的。在这些加工方式中，没有齿轮刀具完全可以加工出齿轮。这一齿轮的成型方法显然有别于前文叙述的两种成型方法，为了有别于前两种方法，我暂且称这种成行方式为：模塑法。
模塑法成型齿轮的最大有点就是一次加工模型可实现大批量的生产，而且生产效率高，尤其是对注塑和压铸而言，此方法更加显出其生产的优势。

mrmrw

塑料齿轮参考金属齿轮的设计计算是－－－完全不正确的！
塑料齿轮传动系统的设计不能套用金属齿轮的计算方法进行，单个齿轮的设计也不能套用金属的那一套，这是因为：
1．   塑料的物性与金属的根本就不是能相比较的两种东西．成型也是完全不同的．这就决定了它们是不能用一个概念来套的，必须分别用各自的概念来加以说明和规范。哪些认为能套的人，能说出一整套道理吗？我正想学习这些。
2．   再说根切吧，用范成法加工时，这个问题是一定要考虑的，但塑胶的成型则可以不必考虑根切，
3．   在共轭啮合方面，塑料齿轮不一定要用渐开线，理论上说，用任一种共轭线都是可以的，就算是用渐开线，也不怕齿顶变尖．也可以不管什么刀具的问题而用任何模数和任何压力角，不用受标准的限制．
4．   一般的塑料齿轮用的料是有一定弹性的，这个弹性远大于金属的弹性，这就不得不把这个弹性变形量考虑进来，而不仅仅是用刚性理论设计时要考虑的滑动率．这就要我们多从弹性体方面出发来进行计算，而不是按金属齿轮的齿做为刚体来进行相关的计算，这样一来，建立在刚体理论基础上的所谓的齿轮体系就全改变了．

——这个是别人的回复的！

mrmrw

塑料齿轮模数结构化设计
塑料齿轮的模数很多时候可以参考金属齿轮的模数标准，但是在实际应用过程中，由于模具齿形加工要考虑收缩率对齿形的影响，所以即使是设计为标准的模数也不可能用标准的刀具来加工齿形，而且塑料齿轮的应用环境多为小功率多传动，故模数设计可以采用结构化的设计方法；
计算公式为：
m=2a/(z1+z2)
这个公式也是金属小模数齿轮设计推荐应用的，不过对金属而言还是最好采用标准的，这样子就利于加工和检测了
而对塑料的齿轮就可以完全采用这个计算方法，这样还可以和变位系数综合考虑，是齿形不至于因选用标准模数时变位太大而使齿形变形太大了

mrmrw

塑料齿轮的设计主要包括四个部分：
1 齿轮参数设计；
这一部分主要是用来设计一个齿轮啮合副的理论参数；
2 齿形设计；
齿形设计主要是考虑变位和齿形的修正以及齿轮变位平衡；
3 齿轮结构设计
塑料齿轮主要包括齿形、轮缘、腹板、轮毂和加强筋5大部分，除齿形外，其余部分的设计要遵循塑料结构设计的平衡壁厚原则，即保证这些结构的壁厚要与“标称壁厚”保持一定的比例，而“标称壁厚”则是齿形的分度圆上齿厚！这些设计方法我会慢慢写出来，但是这些都是一些经验！
4 齿轮力学设计
塑料齿轮的力学设计主要是指设计初期的手工强度校核计算！目前，只有尼曼和杜邦两个公司有成形的力学计算方法，另外论坛上有个同仁共享了一个“塑料齿轮设计精要”一文也有简单的介绍！我还在论坛上发帖求这两个方法，请有的同行共享一下了！
我根据“塑料齿轮设计精要”一文的力学设计方法做了一个蜗杆副的力学校核，但是感觉很多的计算参数很难找到相关的数值，尤其是很多参数都是和温度相关的，这些参数必须最好有塑料供应商提供实验数据，但是很多塑料供应商对齿轮的很多工作状况都不了解！
请高手出来指点迷津了！

mrmrw

金属齿轮采用切齿加工，其理论相对较成熟，这些理论应用到塑料齿轮中只能说是相对合适的，但是并不都是适用的。不同的加工方法决定不同的设计理念。塑料齿轮采用模塑法加工，其齿形涉及收缩和线割的间隙，这些对于金属齿轮而言是不考虑的！
另外，金属齿轮采用刀具切齿是一种模拟齿轮副的啮合运动，这种运动的结果是切出齿形，而这个齿形严格说是刀具切割后的包络线，故而产生了根切、顶切等不利因素。而塑料齿轮就不同了，模具型腔的形状决定了塑料齿轮的齿形，这是一种收缩后的仿形，不用刀具，更不会有根切和顶切。只要你绘制的模具型腔的齿形没有干涉则注塑出的塑料齿轮也就不会有干涉。
还有就是加工的优劣：刀具加工只能单件加工，而模具注塑则可以实现大批量快速的生产，相对成本降低很多。
其实模塑法加工齿轮并不局限于塑料齿轮的，还有压铸齿轮、粉末冶金齿轮、射流齿轮等涉及模具的齿轮加工方法就都可以归于该类齿轮加工方法中。
总而言之，模塑法——模具是关键；切齿法——刀具是关键。不同的加工方法决定不同的设计理念。