标准齿轮和正负变位齿轮的优缺点（塑胶齿轮的齿廓修形和齿向修形）

齿轮传动是一种应用非常广泛的机械传动方式，具有传动效率高、结构紧凑等优点。但是不可避免的存在制造和安装误差，齿轮传动装置在传动过程中的振动和噪音有时候会比较大，特别是在一些功率稍大的传动装置中，振动和噪音问题遇到的概率会比较高。齿轮修形是降低齿轮传动装置振动和噪音的有效方法之一，近年来也得到了越来越广泛的应用。齿轮修形包括齿廓修形和齿向修形，我们今天一起来聊一下塑胶齿轮和修形。

一．基节误差对传动误差的影响

在真实当中，我们制造不出绝对理想的齿轮，只能接近，一对理想的渐开线齿廓的齿轮，只有两齿轮基圆齿距相等时才能正确啮合，瞬时传动比才能恒定和稳定。但是由于制造误差、装配误差以及齿轮受载后弹性变形等因素的影响，实际上齿轮啮合过程中基圆齿轮不可能完全相等，所以现实当中两齿轮不可能完美的啮合，误差肯定在，但是否能控制好误差不影响应用是重点，但控制和管理误差范围需要不同程度的成本，所有的设计和制造厂家必须在考虑成本的基础上做出改善才是有意义的。当误差变大到不可控时，如果主动齿轮的角速度为常数，从动轮的瞬时角速度将忽大忽小，从而使从动齿轮在运转过程中产生角加速度，进而产生附加冲击力。

如果我们更形象的来说明，当一对平行轴齿轮在运转时，当第一对轮齿啮合结束时，本应第二对轮齿进入啮合起始点，但是由于基节误差导致不能正确啮合。如果主动齿轮的基节小于从动齿轮基节，则会使得第二对轮齿的从动齿轮的齿顶提前进入啮合，从而造成主动齿轮的第二个轮齿在齿根原啮合点以上的部分点上挤碰从动齿轮的齿顶。

由于主动轮匀速旋转，从动齿轮的第二个齿是增速旋转走向合线的，当转过某一个角度后，从动齿轮的第二个齿才进入正常啮合，此后的所有啮合齿轮对都像第二对齿一样周而复始地产生挤碰现象。每一对啮合的从动齿轮的齿顶都有一个增速进入啮合线的瞬时变化过程，产生不可接受的噪声是其中一个后果，齿轮传动的耐疲劳性和寿命也会受到明显的损伤。当主动齿轮转速越高时，产生的噪声也随之严重。若主动齿轮基节大于从动齿轮基节，分析过程类似，齿轮啮合过程中将出现从动齿轮的齿根减速地离开啮合线现象，致使主动齿轮的齿顶挤碰从动轮的齿根附近的点，造成传动的不平衡。

为了减轻或消除齿轮啮合过程中的冲击和动载荷，采用齿廓修形是有效的方法之一，即沿齿高方向从齿面上去除一部分材料，从而改变齿廓形状，消除啮合齿对在啮入和啮出位置的几何干涉。

二．齿廓修形

齿轮传动运转过程中，单齿对啮合和双齿对啮合交替进行。由于制造、装配误差、变形等因素影响，在主动齿轮进入啮入位置时，主动齿轮齿根与从动轮齿顶发生干涉。同理，啮出时主动齿轮的齿顶也会和从动轮齿根发生干涉。这种干涉对齿轮传动是极其不利的，因此非常有必要对齿轮进行齿廓修形。

齿形修形就是切掉齿轮啮合时产生的干涉部分，其主要任务是确定齿轮修形的三要素：修形量、修形长度和修形曲线。一般做法是：1.沿渐开线相距等于基节的段不修形，啮入端和啮出端修形长度相等，修形量从最大值逐渐变化到零；2.修形可以是一对齿轮的齿顶修形，也可以是单个齿轮的齿顶和齿根同时修形，与之匹配的另一个齿轮不修形。

三.齿向修形

齿向修形通常只对小齿轮进行修形，主要包括鼓形修形和齿端修形，齿端修形能够有效减小斜齿轮啮入、啮出时的冲击载荷，但由于齿端修形只是齿端面附近的局部进行修形，而齿轮传动中的影响因素很多，导致轮齿产生各种变形，因此当啮合齿轮的齿宽较大时，就容易引起较为严重的集中载荷，因而在这种情况的时候，齿端修形就可能起不了很好的修形效果。鼓形修形由于是对整个齿宽方向进行修形，以补偿齿轮制造误差和齿轮受载荷时受到的各种弹性形变。齿向修形主要确定两个因素：A.确定鼓形量大小 B.鼓形中心在齿向方向上的位置。

在电动窗帘行星减速齿轮箱斜齿或直齿行星齿轮、小扭矩行星减速电机内齿圈，和各类微型减速电机传动齿轮的应用上，苏州维本Wintone Z33耐磨静音齿轮专用料，可以帮助您解决以下问题：

1.POM和PA66齿轮噪音比较大，耐磨耐疲劳性不够的问题。

2.PA12和TPEE齿轮，太软扭矩太小，耐磨性不够，在60摄氏度以上时，扭力下降比较快。

3.POM和PA66齿轮的耐腐蚀性不够，以及断齿的问题。POM齿轮和功能件易磨损粉屑化的问题。

4.尼龙46齿轮的降噪性不够，尺寸受水份影响比较大。

Z33材料作为一款强韧耐磨型工程塑料，在齿轮应用上最显著的特点是：耐磨、静音、耐腐蚀、强韧且不受水份影响。Z33材料的典型成功应用为：微小型减速齿轮箱、电动推杆、汽车转向系统EPS齿轮、按摩器齿轮、汽油机凸轮、电助力自行车中置电机齿轮、电动剃须刀等等传动齿轮。

齿轮是机械传动装置中的重要组成部分,主要传递力矩,承受弯曲和冲击等载荷。为了确保传动系统的寿命和运转稳定性，齿轮需具有以下几个要求：

1.能够抵抗运转过程中的磨损；

2.对于承受交变载荷和冲击载荷的齿轮，基体需有足够的抗弯曲强度和韧性，以免发生变形或断裂；

3.需要有良好的成型工艺性，无论是注塑加工，还是机械加工，优良的加工性都是非常重要的；

4.对降低噪音的需求，最近10几年，无论是金属齿轮还是塑料齿轮，对齿轮传动降噪的应用场景越来越多，要求也越来越高。

齿轮的设计和制造技术是获得优质齿轮的关键之一，齿轮加工的工艺，因齿轮结构形状、精度等级、生产条件可采用不同的方案，而精密注塑就是其中的一种重要加工方式。

四.塑料齿轮的设计

塑料齿轮与金属齿轮最大的差别在于，材料的物性与制造工艺的不同。因此，塑料齿轮的结构设计应该与材料物性和注塑工艺相适应，扬长避短地充分利用和发挥这类非金属材料的特性。

1.塑料齿轮壁厚的基本要求

塑料齿轮的结构设计与任何塑料功能件一样，都会面临一个共同的问题，即塑料件的收缩，而塑料齿轮比一般注塑件在尺寸控制这块，要求会高会更精密。而壁厚在塑料齿轮不同部位的变化控制，是管理尺寸的要点之一。在设计塑胶齿轮时，建议低收缩率的材料（比如PA12 15%玻纤，P OM 30%玻纤等）的壁厚变化应小于25%，建议高收缩率的材料（比如非增强POM，非增强PA66等）的壁厚变化应小于15%。因为塑胶齿轮的壁厚变化较大时，最大的问题是较厚的部分没有较薄的部分冷凝快、收缩多，这样就会导致塑件弯曲变形和尺寸超差。

我们来举个例子说明，可能可以帮助理解。图1所示是一款双联塑胶齿轮，在壁厚设计和内角倒圆的设计是两个重要的点。图1(a)为各部位的壁厚差异较大和内角处没有倒圆的不良设计方案；图2(b)为不良设计方案注塑成型的塑料齿轮，出现有轮缘凹陷，内孔口部相内翘曲；图3(c)则为较好的结构设计方案，该方案有以下优点：

*齿轮各部位齿厚基本一致；

*齿轮腹板的结构和位置合理；

图1

2.塑胶齿轮的传动，需要更关注齿轮的侧隙设计

前面我们已经提到过，塑料齿轮和金属齿轮有较大的不同，那么具体不同在哪里呢？

*强度不同：目前绝大部分工程塑料，强度也比不了最常见的S45C或者是粉末冶金FN-0205之类。

*刚性不同：目前最强的塑料，刚性也比不了最常见的铝制材质或者是铸铁材质；

*吸水性不同：塑料都会吸水，或多或少而已，所以需要计算吸水性对尺寸的影响；

*线性膨胀系数不同：多数齿轮材料的线性膨胀系数远高于金属（包括铝），因此需要计算温度对尺寸的影响；

*齿轮箱的材质不同：多数塑料齿轮都配的是塑料齿轮箱，塑料齿轮箱中心距的波动也必须计算在内；

*精度不同：塑料齿轮的精度相较于金属齿轮较低，塑料齿轮的的公法线及跳动的波动，也需要计算在内。

因此，塑料齿轮和金属齿轮的侧隙设计，是不同的。

3.塑料齿轮的两壁交汇处应避免出现尖角

当塑胶齿轮的两壁交汇成一个内角时，就会出现应力集中和塑胶熔体流动不畅等现象。当将此处型腔两成型面交汇处做成倒圆时，即可改善塑胶熔体流动的途径，又可使塑胶齿轮获得比较均匀的壁厚，还可规避应力集中。通常内角倒圆的半径为壁厚的25～75%。但需要注意的是，较大的倒圆半径会使塑胶齿轮倒圆处的半径变大。当内角处确定了一个半径，我们就可以确定一个外角的半径。如图2，塑胶齿轮的内角倒圆半径为壁厚的50%，那么外角的倒圆半径可取为150%。

图2

4.塑胶齿轮壁上的加强筋

小维建议齿宽较厚、形状复杂的塑料齿轮，考虑设置加强筋，图3是一个示例，您可以参考一下。

图3

设置加强筋有几个好处：

*增强齿轮的刚性和提高尺寸的稳定性；

*控制注入型腔塑胶熔体的流程；

*减轻齿轮的重量和节省原材料，降低成本。

通常塑胶齿轮的加强筋建议不要超过壁厚的2.5～3倍。尽管较高的凸筋会增强齿轮的刚性，但也可能会给塑胶熔体的填充和排气造成困难。因此，也许您也许可以考虑用两条矮筋来代替一条高筋的设计方案。加强筋的厚度，建议取为齿轮壁厚的50%～75%。加强筋合理的厚度有助于控制加强筋与壁厚结合处的收缩，结合处应有圆角，最小圆角半径可取为壁厚的25%。取较大的圆角半径将会增加接合处的厚度，会在塑件设置加强筋处的另一侧表面形成凹陷。当需要使用多条加强筋时，筋与筋之间的距离不应小于两倍壁厚。因为加强筋之间的间距太小，可能会造成塑件的凸筋处很难冷凝，并产生较大的残余内应力。

苏州维本Z33耐磨静音齿轮专用工程塑料，在航模舵机、机器人关节舵机、玩具舵机等各类小扭矩舵机齿轮箱的塑胶齿轮上的应用，可以帮助解决传统的POM齿轮的扫齿问题，同时提升舵机齿轮箱的耐疲劳寿命和静音性能。

5.齿轮的轮缘－轮毂

最简单塑料齿轮的基体结构是片状齿轮。这种齿轮，由于没有壁厚变化，从理论上讲将不会有不均匀的收缩。

这类齿轮的厚度一般不要超过6mm,当齿轮厚度大于4.5mm时，应设计成腹板和轮毂－轮缘式的基体结构，将有利于增强动力的传递。

当设计带轮缘－轮毂的塑料齿轮时，必须对齿轮基体结构各个部位的厚度作周密考虑。轮齿的厚度和齿高由齿轮强度要求所决定，齿轮的各个部位按照塑件设计的基本准则，应满足模塑成型的工艺要求。因此，对于任何其他设计准则，毫无疑问也要作出一些相应的妥协与调整，尽量做到满足基本准则要求。

图4

如果将轮齿视为轮缘上的突起部分，则轮缘（或轮毂）的厚度如图4所示，可取为齿厚s的1.25~3倍，而腹板和轮毂至少应和轮缘一样厚。由于轮缘－轮毂设置在腹板上，为了便于塑胶熔体更好的填充和提高齿轮结构的强度，腹板的厚度应该比轮缘更厚一些，但腹板的厚度仍然不应超过轮缘的1.25~3倍。为了便于塑胶熔体的填充和减少应力集中出现，应对塑胶齿轮基体结构上的所有内角进行倒圆处理，倒圆的半径可以设为壁厚的50%~75%。

为了减轻塑件重量和降低成本，在塑料齿轮的腹板上传统设计有孔洞的做法应该避免。因为会在塑件孔洞周围的表面形成皱纹，并如图5所示。

图5

在齿圈上将出现高、低收缩区，使得齿轮齿顶圆直径偏差和不圆度变大。这种不良的齿轮基体结构设计，不但会削弱齿轮的强度，还会造成注塑成型齿轮的径向综合误差超差，进而引起传动轮系的啮合噪声增大等不良缺陷。

与上相同的原因，在腹板上的加强筋的设置也会影响齿轮的精度。因此，除了为适应动力传动的需要，应尽量避免。如果必须设置，就应该在齿轮的两侧设置，如图6所示，刚好对称错开的加强筋，尽量降低塑件高、低收缩区的影响。

五.塑胶齿轮的模具设计与制造

齿轮模具与传统的模具设计不同，齿轮的齿厚（一个轮齿两侧齿廓间的弧长）、模数（用以度量轮齿规模的参数）、压力角（是指不计算摩擦力的情况下，受力方向和运动方向所夹的锐角）都需要结合经验数据修形，不能按收缩率直接加工，已经有一些专业的齿轮和齿轮减速箱制造公司根据塑胶齿轮模具这样的特点，凭借长期的经验积累和计算机软件厂家合作，开发了齿轮模具的型腔参数计算软件，可以直接生成齿轮参数及轮廓，用于齿轮修形、提高齿形精度。今天小维和大家一起聊一下塑胶齿轮的模具设计。

1.塑胶齿轮模具的型腔设计

塑料齿轮模具的型腔设计一向被视为模具工业的一个技术难题。究其原因主要有两点：

首先是塑料收缩率难以精确化：在塑料齿轮模塑法加工过程中，塑料由颗粒状固体原料经高温转变为熔融的塑料熔体，再经冷却后成型固态塑料齿轮产品。这一过程中塑料的收缩率是一个范围值，难以精确的确定塑料的收缩率数值；

其次是模具型腔的非线性收缩计算：对于渐开线小模数塑料齿轮模具而言，模具型腔实际上是一个假想的齿轮。这个假想齿轮既不同于变位齿轮又不同于内齿轮。这个假想齿轮在收缩后就变成了我们想要的塑料齿轮。该假想齿轮在其渐开线齿形上的收缩不同于一般塑料件的各向等比例收缩。在齿轮平面上，x与y方向的收缩量不等，即为非线性收缩，如图6所示。正是这种非线性收缩导致渐开线塑料齿轮模具型腔的设计难度大大增加。

图6 塑料齿轮轮齿理论齿廓与模具型腔齿廓对比

面对这一技术难点，采用一般塑料件的各向等比例收缩方法设计模具型腔是难以收到良好的效果的。根据多年的实践检验，在精确估算塑料收缩率的基础上，我们推荐采用变模数法进行齿轮模具型腔的理论设计，然后通过齿形修正来保证模具型腔的精确合理。变模数法认为：齿轮在各加工过程中，基圆直径、分度圆直径、齿顶圆直径和齿根圆直径都一样，都是按照一定比例增大或减小的，与简单的套筒类零件的径向尺寸变化规律一致。对齿轮分度圆而言，由公式d=mz 可知，它只与模数m和齿数z有关。

对于一个具体的齿轮，由于它的齿数是一定的，因此在加工过程中，分度圆直径的变化可以认为是模数在变化。这一规律说明：塑料齿轮模具型腔所包容的空间是一个齿数与压力角不变的假想齿轮，它的沟槽为型腔的齿形。对这个假想齿轮的模数可以采用等比例方法的方法进行计算，其公式为：m'=(1 η%)m。式中，m' 为模具型腔齿形的模数； m为设计齿轮的理论模数；η%为塑料的收缩率。用模数 m' 代入相应的齿轮计算公式得到的齿轮便是模具型腔的假想齿轮。实践证明，采用变模数法设计的齿轮模具型腔能够较好的解决渐开线齿形的非线性收缩难题，如图7所示的模具型腔产品图。

图7 齿轮模具型腔

2.塑胶齿轮模具的浇口设计

在模塑法加工塑料齿轮时，浇口位置对齿轮的精度具有显著的影响，特别是径向跳动；浇口的分布形式则对塑料齿轮的整体力学性能有重要影响。在塑料齿轮模具浇口设计时，若齿轮产品允许，推荐采用三点进胶方式设计浇口，且三点最好处于同一圆弧线上并均匀分布，如图8所示。

图8 三点与一点进胶示意图

采用三点平衡进胶时，塑料熔体从浇口呈辐射状向四周流动，在流动前沿汇合处形成三条熔接线。在熔接线位置，纤维的取向倾向流动前沿平行。在齿轮中，这会导致纤维在熔接线处呈径向分布，而齿轮其余部位随机分布。这会沿熔接线形成低收缩区域。熔接线与齿轮其余部位之间纤维取向的差异比单一浇口齿轮要小，从而齿轮精度也更高。图9所示是分别采用单点偏心浇口与三点均匀分布浇口时纤维定向和填充模式的示意图。

单一偏心浇口产生不均匀的纤维定向

图9 三点浇口可产生更均匀的纤维定向和填充模式

3.塑胶齿轮模具的排气设计

排气是塑料模具设计必须要考虑的一个问题。对塑料齿轮模具而言，齿面排气设计是不能忽视的一点。由于齿轮模具大部分平面均为磨床加工，面与面之间贴合较好，进胶时容易在最末填充处出现填充不足现象，需要在齿面开排气槽以消除困气，一般齿面排气槽开设如图10所示。

图 10 齿面排气

4. 塑胶齿轮模具的结构设计

鉴于塑料齿轮注塑多采用点浇口形式，故而其模具结构多采用三板式结构，如图11所示为齿轮模具的设计图和图12所示齿轮模具的实物图。齿轮模具的工作原理如下：

当注塑动作完成后，动模部分在注塑机带动下，开始分型：

第Ⅰ次分型：由于弹簧1作用，剥料板与A板开始分型，在水口钩针作用下，主流道被固定在剥料板上，进胶点拉断与产品分离；

第Ⅱ次分型：模具开模95mm后，在拉杆组的作用下，剥料板与面板开始分离，将主流道从浇口套脱离出来；

第Ⅲ次分型：模具继续开模，在拉杆组的作用下，A板与B板开始分型，开模至90mm后，顶针板开始运动，顶出产品，在顶出过程中需通过顶针板导柱加强顶出平衡。在弹簧2的作用下顶针板复位。一整套模具开模顶出动作完成。

图 11 塑料齿轮模具结构

图 12 塑料齿轮模具

5.塑料齿轮模具制造

在塑料齿轮模塑法加工过程中，齿轮模具是塑料齿轮的成型设备，是保证塑料齿轮精度的关键。根塑料齿轮模具可以分为两大部分：齿轮型腔和模架。其中，齿轮型腔又称齿圈，是整个齿轮模具加工中要求最严格、精度最高的部分，是整个齿轮模具加工的重中之重。

A.齿轮型腔加工

齿轮型腔加工是整个塑料齿轮模具制造的关键。由于模塑法加工塑料齿轮是一种“仿形”加工方式，即型腔的齿廓是齿轮齿形的变形模板。因此，对型腔的制作的尺寸误差和表面粗糙度必须严格控制，不得有毛刺、偏心、表面划伤等不良缺陷。为此，必须制定严格的齿轮型腔加工工艺以保证型腔制作的精度。

齿轮型腔的加工方法主要有四种：线切割法、电火花加工法、电沉积法和铍铜合金铸造法。这四种方法在加工齿轮型腔时各有优劣。对于渐开线直齿圆柱齿轮通常采用线切割法，而对斜齿轮则一般采用电火花加工。另外，对采用电火花加工齿轮型腔用的电极一般也可以采用线切割方法加工，对于替代蜗轮与蜗杆相啮合的螺旋角较小( β≤6°)的斜齿轮电极仍可以采用线切割加工。齿圈线切割过程如图14所示。

图 14 齿圈线割过程 注：①慢走丝机 ②齿圈参数设置 ③固定齿圈 ④线割齿圈 ⑤线割后的齿圈

B.模架加工

模架又称模胚，是齿轮模具的辅助成型部分。模架加工与常见的塑料件注塑模具加工类似，因此本文不再赘述。齿轮模架加工实物图如图12所示。

在电动滑板车轮毂电机塑胶行星齿轮和可折叠电动自行车轮毂电机行星齿轮的应用上，苏州维本工程塑料Wintone Z33耐磨静音齿轮专用工程塑料，可以帮您解决常规的尼龙齿轮材料耐磨耐疲劳性不够、噪音比较大、尺寸和扭力受水份影响比较大的问题。

Wintone Z33作为一款强韧耐磨型工程塑料，在齿轮应用上最显著的特点是：耐磨、静音、耐腐蚀、强韧且不受水份影响。

在微小型减速齿轮箱、电动推杆、汽车转向系统EPS齿轮、按摩器齿轮、汽油机凸轮、电助力自行车中置电机齿轮等等工业齿轮的应用上，与传统的POM和PA66相比，Wintone Z33具有更好的耐磨性、静音、弹性、耐疲劳性和抗形变能力，Z33在保持了良好刚性的同时，进一步提升了弹性和韧性（这种优异的机械性能在摄氏-40度、0度和80度都有保持和体现），可以帮助解决齿轮断齿问题，同时大幅度降低摩擦噪音，经应用后比较，Wintone Z33也优于不少耐磨改性规格的POM和PA66（如聚四氟乙烯，硅酮类或二硫化钼改性）。

在微小型减速齿轮箱耐磨静音齿轮的应用上，Z33在耐磨耐疲劳性优于传统的PA12和TPEE（海翠料）的同时，还能帮助解决PA12和TPEE有时候扭力不够的问题，而且Z33具有更好的成本优势。另外，Z33具有很好的耐腐蚀性，可以用于很多场景下接触各类化学物质的严苛环境，比如PCB设备齿轮、印染纺织机械上的齿轮，液压系统的挡圈和密封圈，等等，成功替代价格昂贵的PEEK，PA12，PVDF，PTFE，PA46，TPEE的部分应用领域。另外Z33的吸湿很少，综合性能受水份的影响很小，整包装Wintone Z33注塑前不需要提前烘料，可以直接注塑，注塑完无需水处理。

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