塑料齿轮强度校核方法1

塑料齿轮强度校核方法

马瑞伍，余毅，张光彦

（深圳市创晶辉精密塑胶模具有限公司，广东省深圳市518000）

【摘要】随着动力传递型塑料齿轮应用领域的不断拓展，如何评估或校核塑料齿轮的强度成为设计者不得不考虑的难题。由于塑料材料种类繁多，且不同种类的塑料性能指标差异很大，所以迄今为止有关塑料齿轮的强度算法还未形成统一的标准。目前，具有代表性的塑料齿轮强度算法主要四种：①尼曼&温特尔法；②VDI 2545标准法；③KISSsoft软件基于VDI 2545标准修正法；④宝理“Duracon”法。由于第②种算法已经废止，第③种算法主要以软件形式发布，因此本文将主要介绍第①和第④种算法，以期能为塑料齿轮的设计起到一定的借鉴意义。

【关键词】塑料齿轮强度设计

1引言

在国内，塑料齿轮起步于20世纪70年代。在发展初期，塑料齿轮主要应用集中在水电气三表的计数器、定时器、石英闹钟、电动玩具等小型产品中。这时期的塑料齿轮的多为直径一般不大于25mm，传递功率一般不超过0.2KW的直齿轮。换言之，早期的塑料齿轮主要用于小空间内的运动传递，属于运动传递型齿轮。随着注塑模具技术与注塑装备及注塑工艺水平的不断提高，模塑成型尺寸更大、强度更高的塑料齿轮成为可能。现在，塑料齿轮传递动力可达 1.5KW，直径已超过150mm。动力型塑料齿轮已经成为众多产品动力传递系统的重要组成部分。虽然动力型塑料齿轮的应用越来越广泛，但相应的塑料齿轮强度计算理论或标准却比较匮乏。目前，塑料齿轮的强度计算多以金属齿轮的强度计算方法为参考，通过修正或修改某些系数来计算或评估塑料齿轮的强度是否满足使用要求，然后再通过实验方法验证强度是否满足使用要求。下面，本文将介绍具有代表性的塑料齿轮强度的计算方法或观点，以期能够为塑料齿轮的强度设计提供借鉴。2塑料齿轮强度计算方法

从查阅到的相关文献资料看，塑料齿轮的强度计算方法基本上沿用了金属齿轮的强度校核理论及计算公式。这些计算方法主要是根据材料的差异对金属齿轮的强度校核公式中的某些系数进行简化或修正。比较有代表性的塑料齿轮强度计算方法主要有四种：

①尼曼&温特尔法：该算法在尼曼&温特尔的世界名著《机械零件》第2卷第22.4节中做了明确的论

述。

②VDI 2545标准法：该算法是VDI于1981年发布的一份指导标准。该标准仅提供了三种基础材料

POM、PA12和PA66的相关数据用于评估塑料齿轮的强度。该算法在强度计算时未考虑温度对塑料强度的影响。

③KISSsoft软件基于VDI 2545标准修正法：该算法是KISSsoft公司基于VDI 2545标准而提出的塑料

齿轮强度的一种修正算法。该方法主要是修正VDI 2545标准中强度受温度变化的影响关系。同时，该公司与各大主流塑料材料供应商合作，提供了POM、PA12、PA66、PEEK四种主要塑齿材料的性能数据，并采用软件形式发布，为塑料齿轮设计者评估塑料齿轮的强度提供了软件工具。

④宝理“Duracon”法：该算法是日本宝理公司发布的一种针对共聚聚甲醛（POM）材料的塑料齿轮

强度评估算法。

鉴于第②种算法已经废止，第③种算法主要以软件形式发布，因此本文将主要介绍第①、④两种算法。

2.1尼曼&温特尔法

尼曼&温特尔在其名著《机械零件》一书中指出：塑料齿轮可能出现和钢齿轮相同的破坏形式：点蚀、

磨损、轮齿折断。当塑料齿轮与钢齿轮配对时，只须验算塑料齿轮的承载能力。在热塑性塑料中还须注意其它的一些限制：

① 齿形可能因软化而破坏。 ② 轮齿温度是一个重要的影响参数。 ③ 因弹性模量E 比较低，必须检验变形。

④ 在静载时有发生蠕变的危险。用系数K 和U 可对应力作出初步的暂时性估计：

11 t t F F

u K U bd u bm

+=

⋅=； 式中，

①

t F ——圆周力，单位：N 。 ②

1//b d m ——分别是指齿轮的齿宽、分度圆直径和模数，单位：mm 。 ③

u ——齿数比，21/u z z =。 关于系数K 和U 的经验数值如表 1所示。

表 1 小型工业驱动装置中油润滑齿轮的许用系数K /U ，载荷循环数8

10（平均安全系数）温度至60℃

2.1.1 计算假定（与金属齿轮相比，相见《机械零件》第21.7节）

(1) 由于弹性模量E 低，轮齿刚度也小。动载系数V K 、齿宽系数H K β、F K β以及端面系数H K α、

F K α因此用1代入。

(2) 由于弹性模量E 低，重合度将随载荷（及工作时间）的增加而加大。尽管如此，仍取Z ε（齿面）

及Y ε（齿根），也就是按最不利的情况计算，即假定总圆周力并非分配在几个同时处于啮合的轮齿上。这是有根据的，因为强度值十分离散（此外还因为按不同的方法确定），而且在大多数情况下齿轮的啮合精度较低。此外，与有力的假设相比，就V K 、H K β、H K α而言可以指望偏于安全。 (3) 热塑性塑料的弹性模量E 与载荷频率有关。到目前为止只提供了动力弹性模量E 。它由剪切模量

得出，仅适用于频率

0.1~10Hz 范围内的扭转振动。

(4) 对齿面和齿根应力看来都存在一个持久极限。这里先得弄清楚所需要的寿命，并从线图中摘取

HN σ和FN σ值。寿命系数N Z （齿面）及N Y （齿根）因而等于1。 (5) 点蚀：系数L Z 取作1。润滑的影响直接在齿面强度HN σ公式中考虑。

(6) 齿根：由于对缺口敏感性很小，故对（相对）敏感系数relT Y 、表面系数RrelT Y 及尺寸系数X Y 可以

同样取为1。

(7) 所给出的最安全系数适用于通常的应用范围（可预感损伤危险，可提供备件）。选择安全系数的一

般性提示请参考《机械零件》第2卷第21.8.4节。

2.1.2 齿面承载能力——抗点蚀、磨损、齿面剥落的安全系数

表 2 齿面接触强度计算公式