塑膠齒輪設計指南與好處

   塑料齒輪具有許多金屬齒輪所沒有的優點。與金屬齒輪相比，它們重量更 輕、慣性更小、運轉時噪音更低。塑料通常齒輪不需要潤滑，或者可以添 加PTFE或硅油這樣的內部潤滑劑。塑料齒輪通常比金屬齒輪的單位成本更 低，而且在設計時可以結合考慮其他組裝性能。此外，這些齒輪還能運用 于許多腐蝕性環境。 

   塑料齒輪已在范圍廣泛的應用中確立了傳統金屬齒輪的重要替代品的地位。塑料齒輪的用途已經從低功率低精度傳動發展到要求更高的動力傳輸領域。隨著設計師們不斷拓展塑料齒輪的應用范圍，人們對于塑料在齒輪設計中的表現和如何利用塑料的獨特性能也有了更多的了解。

    錐齒輪呈圓錐狀，在齒的厚度和高度方向都是錐形 的。輪齒的一端大，另一端小。雖然輪齒的尺寸是 按照齒的較大一端列出的，但強度計算要以輪齒的 中部截面為依據。

    最簡單的錐齒輪的類型是傘形齒輪(圖5)。這些齒 輪通常用于成90°相交的軸上，但是可以在幾乎任 何角度下運轉。這樣的齒輪既施加推力負載，又施 加軸向負載，必須安裝得很準確才能正常工作。雖 然塑料的錐齒輪并不很常見，但是設計師們已開始 研究其用途。其他類型的錐齒輪還有螺旋錐齒輪和 零度錐齒輪。

    端面齒輪是一種特殊類型的齒輪，它的輪齒鑲嵌在 齒輪的端面上(圖6)。在端面齒輪上，輪齒與齒輪 的軸指向同一方向。端面齒輪可以同正齒輪或斜齒 輪嚙合。像錐齒輪一樣，兩個齒輪的軸必須交叉， 軸的角度通常是90°。

   有三種類型的齒輪通常被稱為蝸輪。蝸輪可以安裝 在非交叉、非平行的軸上;然而最常見的排列是非 交叉、成90°的軸。蝸輪的特征是其中一個部件有 螺紋。這個部件稱為蝸桿(圖7)。與蝸桿配合的齒輪 稱為蝸輪。

   在塑料齒輪設計中，金屬(或偶爾是塑料)蝸桿與 塑料斜齒輪相配合是十分普遍的。這種排列實際上 被稱為非包絡蝸輪或相錯軸斜齒輪。相錯軸斜齒輪 安裝在彼此不交叉但成一個角度(通常是90°)的兩 根軸上。相錯軸斜齒輪對它們的軸承既產生軸向負 載，又產生推力負載。

   可惜的是，相錯軸斜齒輪只有點接觸，因此不能承 受很高的負載。然而，如果齒輪能夠磨合一段時間 而不失效，點接觸變成了線接觸，這就更像單包絡 蝸輪，這時承載能力會增大。這是將金屬蝸桿與塑 料斜齒輪配合使用的原因之一。斜齒輪首先磨損,然后變成一個標準的蝸輪。把金屬蝸桿與塑料蝸輪 或塑料斜齒輪配合使用的另一個原因，是有助于消 除蝸輪組可能產生的大量熱量。塑料蝸輪由于與熱 有關的因素而失效的情況并不罕見。

相錯軸斜齒輪組能夠經受中心距和軸間角的小變動 而不會影響齒輪的精度。這個特點使它成為最容易 安裝的齒輪之一。

   真正的蝸輪組可分為單包絡或雙包絡蝸輪。在單包 絡蝸輪組中，蝸輪有一個帶喉齒廓，它包圍著蝸 桿，就像螺母包圍著螺紋一樣(圖8)。這就比類似 的斜齒輪有更大的接觸面，從而把承載能力增大 了2–3倍。在雙包絡蝸輪中，蝸桿(圖9)和蝸輪都帶 喉，并且互相包圍。模塑帶喉的蝸桿或蝸輪是很困 難的,因此，蝸桿和斜齒輪(交錯軸螺旋齒輪)的組 合最為常用。

齒輪材料有一些基本要求。材料必須具有足夠強度 以傳遞齒輪輪齒負載，并對配合齒輪的材料具有良 好的耐磨損性和耐摩擦性。對于某些應用，耐沖擊和耐腐蝕性能也至關重要。齒輪設計師必須仔細評估齒輪需要滿足的要求(環境要求和力學要求)，并將這些要求與要使用的材料的相關性能進行比較。

如前文所述，用于評估齒輪的值極少可在數據表中找到。標準機械性能和物理性能的評估條件極少會出現在齒輪的工作條件中。如果有各種溫度和疲勞 度下的工程性能(如應力-應變同步曲線、拉伸蠕 變或彎曲疲勞)數據，則可以更好地預測材料的行為。但即使有所需的數據，我們仍強烈建議進行原型試驗。

雖然大多數磨損數據并不直接適用于齒輪應用，但通過圓盤、環-塊或盤-銷磨損數據仍可以對可能的 備選材料進行比較分級。在熱塑性合成材料相對于 鋼和其他金屬(鋁、銅等)方面，以及熱塑性合成 材料在室溫和高溫方面，已經得到了大量的圓盤實驗數據。這種數據可用于篩選齒輪原型的潛在備選 材料。未填充的Nylon6/6的磨損系數200是用于確定某種合成材料是否具有合格磨損率的基準。大于200的磨損系數表明材料具有不可接受的高磨損率，因此不適用于大多數齒輪應用。低于200的磨損系數表明它是一種潛在可行的齒輪材料。

在選擇齒輪材料時應使用的另一個數字是限定性PV(壓力-速度)值。這個數字表示一種合成材料 的負載或速度極限。在PV測試中，旋轉軸承上的負 載會逐漸遞增，直至失效。考慮到安全系數，通常 取PV極限值的50%作為最大值來選擇合成材料。有 關更完整的對圓盤和PV極限值測試的說明，請參閱LNP*內部潤滑熱塑性塑料指南。未填充的聚甲醛和 未填充的Nylon6/6是最先在齒輪中普遍使用的兩種 熱塑性塑料。這些結晶樹脂具有良好的內在耐磨損 性, 較低的摩擦系數和良好的耐化學腐蝕性。但是， 它們的成型收縮率高，速度/負載能力低，限制了潛 在的應用范圍。如今，許多新的熱塑性樹脂已經被 合成出來，它們帶有內部潤滑劑，可以提高耐磨損 性和降低摩擦，并且采用增強材料提高了強度。

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