塑膠齒輪設計與材料選擇
在工業工程部件領域，塑膠材料憑借經濟、性能、生產效率和重量的因數，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合了熱，機械，電氣、耐環境和阻燃性顯示出更好的優越性。與金屬齒輪相比，它們重量更輕，慣性更小，運轉時噪音更低。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，而且設計時可以結合考慮其他組裝性能進行一體化設計。此外，這些齒輪還能運用于許多潮濕和腐蝕性環境。 塑膠齒輪相對于金屬材料的優勢： ? 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效率很高 ? 整合設計零件，靈活性高 塑膠齒輪的局限性： ? 承載能力 ? 環境溫度影響 ? 更高的熱膨脹系數 ? 尺寸穩定性較差 ? 制造精度 本文僅介紹塑料齒輪設計的一些通用的設計原則。 齒輪的參數介紹與類別 1. 齒輪基本參數 齒輪基本參數有齒數、法向模數，法向壓力角，螺旋角，齒寬，齒頂圓，齒根圓，跨齒數，公法線（跨齒數和公法線可以由量棒直接和跨棒距替代），中心距。 齒數:一個齒輪的輪齒總數叫齒數,用 Z 表示。小齒輪的齒數可取為 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,一 般可取 Z1=17~20. 模數:由于齒輪的分度直徑 d 可由其周長 zp 確定,即 d = zp/π。為便于設計、計算、制造 和檢驗,令 p/π=m ,m 稱為齒輪的模數,并已標準化。它是決定齒輪大小的主要參數。 壓力角:對相互嚙合的齒輪,模數、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，一個齒輪的旋轉將導致另一個齒輪也旋轉。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域間歇性粘連和撕裂造成的。如果粘連處于微觀水平，則結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力的影響。如果載荷足夠高并且應力循環重復得足夠頻繁，則區域將疲勞并從表面掉落。節圓線區域承受的應力最高，最容易產生點蝕。點蝕與疲勞有關，通常與潤滑無關。點蝕在塑料中很少見，但可能會發生，尤其是在系統潤滑良好（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。然而，在更嚴重的情況下將是軸向的，很快就會出現齒斷裂。 可以通過潤滑（內部和外部）降低摩擦產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）或齒的循環應力（疲勞）超過材料的耐久極限造成的。這些類型的斷裂通常發生在牙根圓角處，并沿牙根部傳播。 未潤滑系統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（右圖）。 熱循環疲勞 未潤滑和潤滑的齒輪可能會因熱循環疲勞而失效。齒彎曲應力總是會導致一些持續加熱，并且由于塑料是很好的熱絕緣體，會導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力強度外，通常還有齒面壓力校核，溫度校核等。 2. 彎曲應力 設計齒輪的關鍵步驟是確定齒面的容許彎曲應力。齒 輪樣品制作費時費力，因此開始的齒面彎曲應力選擇錯誤 代價很大 對于任何給定材料，容許應力取決于一系列因素，包括： ? 整個生命周期– 間歇或連續運行 ? 環境- 溫度，濕度，介質，化學品等 ? 隨溫度和濕度改變，直徑和中心距的變化 ? 節線速度 ? 齒距和齒型 ? 齒廓的精度，螺旋角，節圓直徑等 ? 配合齒輪材料包括表面光潔度和硬度 ? 潤滑類型（摩擦熱） 在節線處加載的標準齒形輪齒上的彎曲應力可以使用路易斯方程計算 **許可彎曲應力 設計齒輪的關鍵步驟是確定齒面的容許彎曲應力。齒輪樣品制作費時費力，因此開始的齒面彎曲應力選擇錯誤代價很大。 對于任何給定材料，容許應力取決于一系列因素，包括： 整個生命周期–間歇或連續運行 環境-溫度，濕度，介質，化學品等 隨溫度和濕度改變，直徑和中心距的變化 節線速度 齒距和齒型 齒廓的精度，螺旋角，節圓直徑等 配合齒輪材料包括表面光潔度和硬度 潤滑類型（摩擦熱） 實際應用環境下材料的許可應力**可以借鑒成功的類似的齒輪應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，測試結果如下表. 這些數據可以合并環境應用條件獲得容許齒面彎曲應力。 杜邦塑膠材料10E6循環許可彎曲應力 3. 齒面接觸應力 彎曲應力校核研究由于靜態載荷或疲勞作用而導致齒斷裂而失效。我們在檢查齒輪作用時看到的其他力通過輪齒的接觸產生表面應力，以及它們彼此之間的相對運動。這些應力會導致輪齒表面失效或磨損。為了確保令人滿意的使用壽命，齒輪的設計必須使動態表面應力在材料的表面耐久極限內。 以下方程源自兩個氣缸之間接觸應力的赫茲理論，并進行了修改以應用于齒輪傳動 SH = 齒面接觸應力（赫茲應力） Wt = 傳遞的負載 Dp = 小齒輪節圓直徑 μ = 泊松比 E = 彈性模量 ? = 壓力角 m = 速比，Ng/Np N = 齒數 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/或磨損而導致的過早失效。 對于塑料齒輪表面長期許可應力，取決于多種因素，下圖為實驗值為基準，考慮了標準分數后得出的許可接觸應力值（以磨損量為齒面厚度10%為限度）。 齒輪材質：POM/鋼材 模數：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彎曲強度與溫度關系 POM彎曲強度與溫度關系 準確測定這塑料齒輪齒面的溫度都很困難。旋轉齒輪上的熱傳遞系數只能近似估計。因此，齒面溫度的計算有時可能會導致非常高的數字;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致比實際溫度更高的值。可被用作額外的安全設施。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 = 環境溫度，單位為 °C P = 功率，單位為 kW μ = 摩擦系數 z = 齒數 i = 傳動比 z1/z2 ，其中 z1 = 小齒輪齒數 b = 齒面寬度（毫米） v = 圓周速度（米/秒） m = 模數（毫米） A = 齒輪箱的表面積，單位為 mm2 k2 = 材料相關系數 k3 = 齒輪相關系數，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 ? 轉速 ? 運行時間：間歇性/連續性/往復 ? 精密性 ? 耐熱性 ? 作用對象：vs金屬，vs塑料 ? 環境：耐溶劑/氣候等 因為應用需要，要求材料具有低的動態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 目前應用最廣泛的工程塑料 ? 在與金屬配合使用時的優良的耐磨損性 ? 材料的玻璃化溫度低, 耐反復疲勞沖擊 ? 無需玻纖填充即具有很高的模量，減少產品磨耗 ? 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，透明性和尺寸穩定性，優良的機械強度，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 是一種半晶態的高分子聚合物。具有耐高溫，耐磨損，耐化學腐蝕，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 ? 尺寸穩定性好，熱收縮性能接近于金屬 ? 耐腐蝕，適應于各種苛刻環境 ? 成本高 ? 齒輪主要應用于要求苛刻的應用領域，汽車等 （包括航空）運輸業市場、半導體制造設備、壓縮機閥片、醫療器械。 國內某公司PEEK改性塑料齒輪應用案例 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；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。 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的尺寸精度都很高，尤其是PPS、增強PBT等此類材質。POM因其自身收縮率較高，并不適合做尺寸精度較高的產品。 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。 ? 增加使用環境之溫度。 ? 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應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，使用過程中不需要加潤滑，而PC（聚碳酸酯）材質的注塑齒輪在運轉時必須添加潤滑。經過石墨、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 塑庫網的高級搜索功能，支持按材料類別，填充類型，應用等各種方式選擇你所需的材料，也可以按照設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如POM材料和POM材料之間的摩擦系數不及POM與硬質鋼材之間 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勢； 所有情形下，運行的是一對塑膠齒輪時，必須設置散熱。散熱依賴于整體設計，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期值。設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上。 下表為不同材料配對的磨耗系數，摩擦系數對比研究報告
結語 塑膠齒輪以其輕量、安靜、自潤滑、耐腐蝕、成本低和設計靈活等優勢，在輕載低速領域廣泛替代金屬齒輪。設計需注意其承載、溫度和尺寸穩定性限制。 核心在于理解特有失效模式（磨損、蠕變、熱疲勞），并嚴格校核彎曲應力、接觸應力（赫茲應力）和運行溫度。 選材至關重要：常用POM、PA、PPS、PC、PEEK。首要考量工作溫度與負載，并關注尺寸精度、潤滑性及成本。塑膠配硬質金屬通常性能**且散熱佳；異種塑膠配對可改善磨損，但需強化散熱。 成功設計是系統平衡優勢、限制，精確計算，并明智選材配對的過程。