在工業(yè)工程部件領(lǐng)域，塑膠材料憑借經(jīng)濟、性能、生產(chǎn)效率和重量的因數(shù)，逐步在低速、輕負荷齒輪中代替金屬齒輪，工程塑料通過改性結(jié)合了熱，機械，電氣、耐環(huán)境和阻燃性顯示出更好的優(yōu)越性。與金屬齒輪相比，它們重量更輕，慣性更小，運轉(zhuǎn)時噪音更低。塑料齒輪通常不需要潤滑，或者可以添加TPFE或硅油這樣的內(nèi)部潤滑劑。塑料材料通常比金屬齒輪的單位成本更低，而且設(shè)計時可以結(jié)合考慮其他組裝性能進行一體化設(shè)計。此外，這些齒輪還能運用于許多潮濕和腐蝕性環(huán)境。

塑膠齒輪相對于金屬材料的優(yōu)勢：

? 重量更輕

? 低噪聲

? 自潤滑

? 更低的慣性

? 耐腐蝕性

? 注塑加工成型批量生產(chǎn)效率很高

? 整合設(shè)計零件，靈活性高

塑膠齒輪的局限性：

? 承載能力

? 環(huán)境溫度影響

? 更高的熱膨脹系數(shù)

? 尺寸穩(wěn)定性較差

? 制造精度

本文僅介紹塑料齒輪設(shè)計的一些通用的設(shè)計原則。

齒輪的參數(shù)介紹與類別

1. 齒輪基本參數(shù)

齒輪基本參數(shù)有齒數(shù)、法向模數(shù)，法向壓力角，螺旋角，齒寬，齒頂圓，齒根圓，跨齒數(shù)，公法線（跨齒數(shù)和公法線可以由量棒直接和跨棒距替代），中心距。

齒數(shù):一個齒輪的輪齒總數(shù)叫齒數(shù),用 Z 表示。小齒輪的齒數(shù)可取為 Z1=20~40,開式 (半開式)齒輪傳動,由于輪齒主要為磨損失效,為使齒輪不致過小,故小齒輪不亦選用過多的齒數(shù),一般可取 Z1=17~20.
模數(shù):由于齒輪的分度直徑 d 可由其周長 zp 確定,即 d = zp/π。為便于設(shè)計、計算、制造和檢驗,令 p/π=m ,m 稱為齒輪的模數(shù),并已標準化。它是決定齒輪大小的主要參數(shù)。
壓力角:對相互嚙合的齒輪,模數(shù)、壓力角必須相等。標準齒輪的壓力角(對單個齒輪而言即為齒形角)為 20°。

標準齒輪常用參數(shù)與計算公式

2. 常見齒輪類型

單個齒輪不能做任何工作，因此齒輪成對使用。當兩個齒輪的齒嚙合時，一個齒輪的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致另一個齒輪也旋轉(zhuǎn)。如果兩個齒輪的直徑不同，較小的一個（稱為小齒輪）相比大的一個（稱為齒輪）轉(zhuǎn)動得更快，對齒面接觸疲勞和磨損的要求更高。

齒輪有許多不同類型，最常見的是通過齒輪軸的相交方式進行分類。如果齒輪必須在平行軸上運行，則需要正齒輪或斜齒輪。如果軸相交且成直角，則通常使用錐齒輪和蝸輪。如果軸既不相交又不平行，則使用交叉軸斜齒輪、蝸輪、準雙曲面齒輪和螺旋齒輪。最常見的塑料齒輪是正齒輪、斜齒輪和蝸輪，但如果需要，也可以使用其他類型。

為了便于簡化，后面的強度計算公式都是以正齒輪為例。

齒輪的強度計算校核

1. 塑膠齒輪的失效機制

粘附磨損或“正常”磨損

這種類型的磨損是由于相對磨損表面的小區(qū)域間歇性粘連和撕裂造成的。如果粘連處于微觀水平，則結(jié)果將是正常的均勻磨損率。齒輪的外部潤滑的作用是保持表面分離并抑制磨損。

摩擦損耗

當接觸表面之間存在硬顆粒時，就會發(fā)生磨粒磨損。這種材料可能是其中一個齒輪的磨損碎屑或環(huán)境中的污垢。如果其中一個齒輪（通常是金屬）的表面比另一個齒輪更粗糙，也可能存在這種類型的磨損。顆粒首先穿透材料，然后從表面“犁”掉材料塊。應(yīng)避免形成摩擦的磨損條件。

點蝕

點蝕被定義為當超過材料的耐久極限時發(fā)生的表面疲勞失效。承受載荷的齒輪會受到表面和次表面應(yīng)力的影響。如果載荷足夠高并且應(yīng)力循環(huán)重復(fù)得足夠頻繁，則區(qū)域?qū)⑵诓谋砻娴袈洹９?jié)圓線區(qū)域承受的應(yīng)力最高，最容易產(chǎn)生點蝕。點蝕與疲勞有關(guān)，通常與潤滑無關(guān)。點蝕在塑料中很少見，但可能會發(fā)生，尤其是在系統(tǒng)潤滑良好（低磨損）的情況下。

蠕性變形

塑性蠕變是由高接觸應(yīng)力以及嚙合滾動和滑動作用引起的。它是由表面和次表面材質(zhì)的屈服引起的表面變形。由于塑料是絕緣體并且軟化溫度較低（與金屬相比），因此與金屬齒輪相比，它們往往更容易軟化蠕變。在塑料齒輪中，初始塑料蠕變是徑向的。它可能不是有害的，因為它可能會自行回復(fù)。然而，在更嚴重的情況下將是軸向的，很快就會出現(xiàn)齒斷裂。

可以通過潤滑（內(nèi)部和外部）降低摩擦產(chǎn)生的熱量來幫助防止這種情況（左圖）。

斷裂

斷裂是由于整顆齒或至少大部分齒斷裂而造成的失效。這可能是由于超負荷（失速、沖擊）或齒的循環(huán)應(yīng)力（疲勞）超過材料的耐久極限造成的。這些類型的斷裂通常發(fā)生在牙根圓角處，并沿牙根部傳播。

未潤滑系統(tǒng)中的斷裂通常是由于過載造成的。齒較高處的斷裂通常與磨損有關(guān)（右圖）。

熱循環(huán)疲勞

未潤滑和潤滑的齒輪可能會因熱循環(huán)疲勞而失效。齒彎曲應(yīng)力總是會導(dǎo)致一些持續(xù)加熱，并且由于塑料是很好的熱絕緣體，會導(dǎo)致材料工作溫度升高。這種溫度升高會降低材料的強度并導(dǎo)致嚙合線變形而失效（齒褶皺）。

因此塑膠齒輪的失效模式有別于金屬齒輪，除了需要校核彎曲應(yīng)力強度外，通常還有齒面壓力校核，溫度校核等。

2. 彎曲應(yīng)力

設(shè)計齒輪的關(guān)鍵步驟是確定齒面的容許彎曲應(yīng)力。齒輪樣品制作費時費力，因此開始的齒面彎曲應(yīng)力選擇錯誤代價很大對于任何給定材料，容許應(yīng)力取決于一系列因素，包括：

? 整個生命周期– 間歇或連續(xù)運行

? 環(huán)境- 溫度，濕度，介質(zhì)，化學(xué)品等

? 隨溫度和濕度改變，直徑和中心距的變化

? 節(jié)線速度

? 齒距和齒型

? 齒廓的精度，螺旋角，節(jié)圓直徑等

? 配合齒輪材料包括表面光潔度和硬度

? 潤滑類型（摩擦熱）

在節(jié)線處加載的標準齒形輪齒上的彎曲應(yīng)力可以使用路易斯方程計算

**許可彎曲應(yīng)力

設(shè)計齒輪的關(guān)鍵步驟是確定齒面的容許彎曲應(yīng)力。齒輪樣品制作費時費力，因此開始的齒面彎曲應(yīng)力選擇錯誤代價很大。

對于任何給定材料，容許應(yīng)力取決于一系列因素，包括：

整個生命周期–間歇或連續(xù)運行
環(huán)境-溫度，濕度，介質(zhì)，化學(xué)品等
隨溫度和濕度改變，直徑和中心距的變化
節(jié)線速度
齒距和齒型
齒廓的精度，螺旋角，節(jié)圓直徑等
配合齒輪材料包括表面光潔度和硬度
潤滑類型（摩擦熱）

實際應(yīng)用環(huán)境下材料的許可應(yīng)力**可以借鑒成功的類似的齒輪應(yīng)用案例選擇合適的壓力水平。

杜邦公司針對Delrin 聚甲醛樹脂和Zytel 尼龍樹脂制作的齒輪進行了一系列廣泛的測試，測試結(jié)果如下表. 這些數(shù)據(jù)可以合并環(huán)境應(yīng)用條件獲得容許齒面彎曲應(yīng)力。

杜邦塑膠材料10E6循環(huán)許可彎曲應(yīng)力

3. 齒面接觸應(yīng)力

彎曲應(yīng)力校核研究由于靜態(tài)載荷或疲勞作用而導(dǎo)致齒斷裂而失效。我們在檢查齒輪作用時看到的其他力通過輪齒的接觸產(chǎn)生表面應(yīng)力，以及它們彼此之間的相對運動。這些應(yīng)力會導(dǎo)致輪齒表面失效或磨損。為了確保令人滿意的使用壽命，齒輪的設(shè)計必須使動態(tài)表面應(yīng)力在材料的表面耐久極限內(nèi)。

以下方程源自兩個氣缸之間接觸應(yīng)力的赫茲理論，并進行了修改以應(yīng)用于齒輪傳動

SH = 齒面接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力）

Wt = 傳遞的負載

Dp = 小齒輪節(jié)圓直徑

μ = 泊松比

E = 彈性模量

? = 壓力角

m = 速比，Ng/Np

N = 齒數(shù)

下標 p 和 g 分別表示小齒輪和齒輪。

計算齒輪的表面接觸應(yīng)力，然后將其與材料的表面耐久極限進行比較。防止由于點蝕和/或磨損而導(dǎo)致的過早失效。

對于塑料齒輪表面長期許可應(yīng)力，取決于多種因素，下圖為實驗值為基準，考慮了標準分數(shù)后得出的許可接觸應(yīng)力值（以磨損量為齒面厚度10%為限度）。

齒輪材質(zhì)：POM/鋼材

模數(shù)：m=2mm

溫度：常溫

潤滑：無潤滑劑

4. 溫度因子校核

溫度在確定塑料齒輪的負載能力方面起著重要作用。塑料齒體的彎曲強度和彎曲彈性模量與溫度有很大的依賴性。

POM彎曲強度與溫度關(guān)系

準確測定這塑料齒輪齒面的溫度都很困難。旋轉(zhuǎn)齒輪上的熱傳遞系數(shù)只能近似估計。因此，齒面溫度的計算有時可能會導(dǎo)致非常高的數(shù)字;甚至高于塑料的熔化溫度。然而，我們還沒有觀察到塑料齒輪齒面的熔化。以下公式顯示了齒輪溫度的估計值。因為它是一個估計值，所以計算出的溫度有時可能會導(dǎo)致比實際溫度更高的值。可被用作額外的安全設(shè)施。下面的計算考慮了摩擦熱、從齒輪以及從齒輪殼到外部的散熱速率。

JU = 環(huán)境溫度，單位為 °C P = 功率，單位為 kW

μ = 摩擦系數(shù)

z = 齒數(shù)

i = 傳動比 z1/z2 ，其中 z1 = 小齒輪齒數(shù)

b = 齒面寬度（毫米）

v = 圓周速度（米/秒）

m = 模數(shù)（毫米）

A = 齒輪箱的表面積，單位為 mm2

k2 = 材料相關(guān)系數(shù)

k3 = 齒輪相關(guān)系數(shù)，單位為 m2K/W

塑料齒輪材料的選材

1. 齒輪材料選擇考慮因素

? 負載

? 轉(zhuǎn)速

? 運行時間：間歇性/連續(xù)性/往復(fù)

? 精密性

? 耐熱性

? 作用對象：vs金屬，vs塑料

? 環(huán)境：耐溶劑/氣候等

因為應(yīng)用需要，要求材料具有低的動態(tài)摩擦和好的耐磨損性，以避免在接觸的界面上生熱，因此要做到以下幾點：

? 避免機械性能的降低

? 使材料的磨損最小化

? 避免平滑現(xiàn)象

常用于塑膠齒輪的工程材料有POM，PA，PPS，PC，PEEK等。

(1)POM

目前應(yīng)用最廣泛的工程塑料

? 在與金屬配合使用時的優(yōu)良的耐磨損性

? 材料的玻璃化溫度低, 耐反復(fù)疲勞沖擊

? 無需玻纖填充即具有很高的模量，減少產(chǎn)品磨耗

? 塑料VS塑料磨耗低

? 吸水低，成型收縮率大。尺寸精度低

? 成本低

? 適用于較低負載，100°以下溫度。少潤滑或無潤滑條件下工作

(2)PA

? 未填充PA具良好的潤滑性，與POM配對使用磨耗低

? 更高的使用溫度

? 更高的沖擊強度

? 與金屬的嵌件注塑

? 尼龍的吸濕性不適用于要求高精密的場所

? 高模量：玻纖增強彎曲模量9-10Gpa

? 成本低

帶金屬芯軸的PA齒輪

(3)PC

具有突出的沖擊韌性，透明性和尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的機械強度，適用溫度范圍寬，良好的耐蠕變性，低吸水性等優(yōu)點。但不具潤滑性，耐磨性較差。通常需要添加Si油或PTFE改善耐磨性，主要應(yīng)用于玩具等輕載或短期工作的塑料齒輪。

(4)PEEK

是一種半晶態(tài)的高分子聚合物。具有耐高溫，耐磨損，耐化學(xué)腐蝕，低噪音，低吸濕性，高韌性，和耐沖擊性及高強度等特性。但是價格昂貴。常用于飛機及武器等的傳動部件。

? 高強度，高模量，高韌性。耐疲勞性**

? 更高的使用溫度。熱變形溫度高達316℃（30%玻璃纖維或碳纖維增強），可在250℃下持久利用

? 尺寸穩(wěn)定性好，熱收縮性能接近于金屬

? 耐腐蝕，適應(yīng)于各種苛刻環(huán)境

? 成本高

? 齒輪主要應(yīng)用于要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車等

（包括航空）運輸業(yè)市場、半導(dǎo)體制造設(shè)備、壓縮機閥片、醫(yī)療器械。

國內(nèi)某公司PEEK改性塑料齒輪應(yīng)用案例

2. 齒輪材料選擇原則

01

首先看工作溫度

工作溫度在260攝氏度左右，能夠選擇的材料僅有PI、PEEK等；工作溫度在200攝氏度左右，可選擇PPS或改性PPS；工作溫度在90~160攝氏度，可選擇PPA工作溫度在150攝氏度左右，可選擇增強尼龍、MPPO、增強PBT等材質(zhì)；工作溫度在100攝氏度以下，通常選擇尼龍、聚甲醛等通用材質(zhì)。

02

齒輪的載荷

中高載荷：PPS、PI、PEEK等。中低載荷：PA46、PA66、POM、PC。

03

尺寸精度

除了POM,通常用作注塑齒輪材質(zhì)的尺寸精度都很高，尤其是PPS、增強PBT等此類材質(zhì)。POM因其自身收縮率較高，并不適合做尺寸精度較高的產(chǎn)品。

04

填充增強

很多傳動塑料齒輪都添加玻纖或碳纖以強化材料。添加玻纖/碳纖的主要作用：

? 增加抗拉伸和壓縮能力。

? 降低線膨脹系數(shù)。

? 增加使用環(huán)境之溫度。

? 增加耐沖擊力。

但也有不好之處，如：降低物件表面光澤度，降低塑料注塑過程的流動性，如與原料混合不均會造成內(nèi)應(yīng)力及零件各部位機械性能不一致。

04

潤滑劑

尼龍、聚甲醛、PEEK等材料均為自潤滑材質(zhì)，使用過程中不需要加潤滑，而PC（聚碳酸酯）材質(zhì)的注塑齒輪在運轉(zhuǎn)時必須添加潤滑。經(jīng)過石墨、二硫化鉬、PTFE改性的尼龍、PPS自潤滑性能更佳。

04

成本

成本從高到低排序：

PEEK>PI>PPS>PA46>MPPO>PA66>PA6>POM

塑庫網(wǎng)的高級搜索功能，支持按材料類別，填充類型，應(yīng)用等各種方式選擇你所需的材料，也可以按照設(shè)計計算出來所需的彎曲模量，熱變形溫度，成型收縮率等精準篩選出符合要求的材料。

3. 材料配對選擇

1，通常同一塑料材料配對的齒輪會有高的磨損系數(shù)如POM材料和POM材料之間的摩擦系數(shù)不及POM與硬質(zhì)鋼材之間

2，很多案例表明，選擇不同聚合物可以獲得很低的磨損如POM配PA材料則可顯著改善磨耗。這種組合尤其對長期使用時有效，并顯示在初始階段不容許使用潤滑時有很好的優(yōu)勢；

所有情形下，運行的是一對塑膠齒輪時，必須設(shè)置散熱。散熱依賴于整體設(shè)計，當兩種材料都是好的熱絕緣材料時尤其要考慮；

3，如果是塑膠齒輪配對金屬則散熱更好，從而可以承擔更大的負荷。經(jīng)常是，齒輪組的**個軸齒輪直接在高速運行的馬達軸上，軸承和線圈沿軸傳遞的熱量會使齒輪表面溫度升高到超過預(yù)期值。設(shè)計師尤其需注意馬達的充分冷卻；

4，混合塑膠和金屬齒輪比塑膠對齒輪具備更好的表現(xiàn)及更小的磨耗。則只是建立在金屬齒輪表面硬度更高的基礎(chǔ)上。

下表為不同材料配對的磨耗系數(shù)，摩擦系數(shù)對比研究報告

結(jié)語

塑膠齒輪以其輕量、安靜、自潤滑、耐腐蝕、成本低和設(shè)計靈活等優(yōu)勢，在輕載低速領(lǐng)域廣泛替代金屬齒輪。設(shè)計需注意其承載、溫度和尺寸穩(wěn)定性限制。

核心在于理解特有失效模式（磨損、蠕變、熱疲勞），并嚴格校核彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力（赫茲應(yīng)力）和運行溫度。

選材至關(guān)重要：常用POM、PA、PPS、PC、PEEK。首要考量工作溫度與負載，并關(guān)注尺寸精度、潤滑性及成本。塑膠配硬質(zhì)金屬通常性能**且散熱佳；異種塑膠配對可改善磨損，但需強化散熱。

成功設(shè)計是系統(tǒng)平衡優(yōu)勢、限制，精確計算，并明智選材配對的過程。