如何设计塑料齿轮，它跟金属齿轮设计有什么参数要考虑？

工程师和设计师不能将塑料齿轮仅仅视为用热塑性塑料铸造的金属齿轮，他们必须注意塑料齿轮特有的特殊问题和注意事项。事实上，塑料齿轮设计需要注意对金属齿轮没有影响的细节，例如滞后产生的热量。

金属齿轮和塑料齿轮在设计理念上的基本区别在于，金属齿轮设计基于单个齿的强度，而塑料齿轮设计则认识到齿间的载荷共享。换句话说，塑料齿在负载下偏转更多，并将负载分散到更多牙齿上。在大多数应用中，负载共享增加了塑料齿轮的承载能力。因此，随着齿尺寸减小到约48的齿距，指定的失效循环数的许用应力会增加，由于尺寸效应和其他问题，在48齿距以上几乎看不到增加。

一般来说，以下分步流程将制造出良好的热塑性齿轮：1）确定应用程序的边界条件，例如温度、负载、速度、空间和环境。2）检查短期材料特性以确定初始性能水平是否适合应用。3）检查塑料在指定环境中的长期性能保持情况，以确定性能水平是否会在零件的整个使用寿命期间保持不变。4）使用物理特性数据计算由各种负载和速度引起的应力水平。5）将计算值与允许的应力水平进行比较，然后根据需要重新设计以提供足够的安全系数。

塑料齿轮失效的许多原因与金属齿轮相同，包括磨损、划痕、塑性流动、点蚀、断裂和疲劳，这些故障的原因也基本相同。

负载旋转齿轮的齿在齿根和接触表面处受到应力，如果齿轮被润滑，弯曲应力是最重要的参数。另一方面，未经润滑的齿轮可能会在齿失效之前磨损。因此，接触应力是设计这些齿轮的主要因素，塑料齿轮通常在齿根处具有完整的圆角半径。因此，它们不像金属齿轮那样容易产生应力集中。

工程热塑性塑料的弯曲应力数据基于在特定节线速度下运行的疲劳测试，因此，当速度超过测试速度时，应在节线中使用速度因子，连续润滑可使许用应力增加至少 1.5 倍，与弯曲应力一样，表面接触应力的计算需要许多校正因子。

例如，当节线速度超过测试速度时使用速度因子，此外，还使用一个系数来说明工作温度、齿轮材料和压力角的变化。失速扭矩是热塑性齿轮设计中的另一个因素。齿轮经常承受比正常负载扭矩高得多的失速扭矩。如果塑料齿轮高速运转，它们很容易受到滞后加热的影响，滞后加热可能会变得非常严重，以至于齿轮熔化。

有几种方法可以减少这种类型的加热，首选方法是通过增加可用于所需扭矩传输的齿根面积来降低峰值应力，另一种方法是通过增加齿轮直径来减少齿中的应力。使用更硬的材料（一种滞后现象更小的材料）还可以延长塑料齿轮的使用寿命。为了增加塑料的刚度，可以通过将塑料刚度提高25%至50%的加工技术来提高结晶塑料（例如乙缩醛和尼龙）的结晶度水平。

提高刚度的最有效方法是使用填料，尤其是玻璃纤维，添加玻璃纤维可将刚度提高 500% 至 1,000%。不过，使用填充剂确实有一个缺点。未填充塑料的疲劳耐力比金属高一个数量级；添加填料会降低这一优势。因此，想要使用填料的工程师应该考虑疲劳寿命和最小生热之间的权衡。

然而，填料确实在塑料齿轮抵抗滞后故障的能力方面提供了另一个优势，填料可以增加导热性。这有助于从齿轮齿底部的峰值应力区域带走热量并帮助散热，散热是另一个可控的通用因素，可以提高对滞后故障的抵抗力。

周围的介质，无论是空气还是液体，都会对塑料齿轮的冷却速度产生重大影响。如果诸如油浴之类的流体而不是空气围绕着齿轮，那么从齿轮到油的热传递通常是从塑料齿轮到空气的热传递的10倍。搅动油或空气也可以将热传递提高 10 倍。如果冷却介质（同样是空气或油）通过换热器或通过设计进行冷却，则热传递会增加更多。