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模制塑料齿轮传动系统

塑料齿轮及其传动系统的设计途径与金属齿轮传动不同,塑料齿轮传动可以采用不同的方法来进行优化,检测和测试的需求也不同。下面将对塑料齿轮及其传动系统的设计、模具制造及检测方面的新技术作一介绍。

    模制塑料齿轮和金属齿轮的不同点

    (1)模制塑料齿轮和金属齿轮的一个根本不同点在于制造方法的不同。几乎所有的金属齿轮都是切削、磨削加工而成的,而模制塑料齿轮是由模具加工而成的。采用线切割加工,可使直齿轮模腔达到2.5μm的精度,但由于该方法不是展成加工,其切割误差在任何位置都可能发生,因此必须对整个内齿轮模腔进行检测,不象切削加工的金属齿轮只需检测几个代表齿。另一方面,由于模制塑料齿轮各部分的收缩率不同且任何部位都可能发生模值异常,因此也需对齿轮各部分进行检测。模制塑料齿轮的优点在于,任何特殊齿轮只要能用CAD画出来,通常就能模制出来。具有挑战意义的是如何丈量和调整模制塑料齿轮的收缩异常和模制异常。在全齿廓检测技术的应用以及与展成法相比的优点方面,金属齿轮也许还能受益于模制塑料齿轮。
    (2)塑料齿轮和金属齿轮由于加工方法不同存在的差异。金属齿轮是切削或磨削而成的,是回转加工,因此具有很高的同轴度,直径精度也较易保证,在制造中不需考虑收缩补偿。塑料齿轮是模制的,同轴度较难保证,但齿形比金属齿轮更精确,由于线切割加工的齿轮模腔精度比用滚制电极加工的齿轮模腔精度高。
    (3)塑料齿轮比金属齿轮强度差,但是具有金属齿轮所缺乏的自润滑、重量轻、低噪音等优点。工程塑料在模腔中大而连续且可重复的收缩特性需在模制加工齿轮时加以考虑并补偿。一般情况下,塑料齿轮的直径公差比金属齿轮的大。
    塑料齿轮的公差和传动比等都是根据金属齿轮的结构制定、推荐的,但这些标准对于塑料齿轮是不公道的,因其并不能精确猜测塑料齿轮的功能和寿命,即使是根据树脂材料经销商所提供的塑料特性,也不能精确确定塑料齿轮在高速进进或退出啮合时材料的真实参数。传统塑料的特性是在长期实践中得到的。

    塑料齿轮的设计

    通常金属齿轮是按基本齿条原理进行切削加工的过程来设计的,很多塑料齿轮的设计者采用类似的方法。金属齿轮定义的节圆描述了齿轮与其切削刀具间的安装间隔,而齿顶修形是指切齿刀具附加的装调特性,以便加工出所需的齿形,齿轮的全切深实际上指刀具进进齿轮毛坯的多少。然而,对于塑料齿轮而言就不需要这些概念,它们往往还会引起混淆和误解。
    基本齿条方法的最大好处是答应被切制的齿轮相互之间可以任意配对正常啮合,而塑料齿轮通常针对大批量应用而设计。其设计应尽可能使齿轮副装置更结实、坚固,而不是使齿轮能够适应一定的应用范围。下面列出的途径方法,是实现特定传动要求并使齿轮功能达到最大、最优的设计方法。
    目前几乎所有的直齿塑料齿轮都是模制加工,其模腔是用线切割加工的。设计者可以设计完全理想化的数字化齿轮,然后通过线切割加工成实体齿轮。
    渐开线齿轮传动本质上等同于交叉皮带传动。轮齿利用相同的传动路径产生相同的回转效果,主动轮通过传动路径推动被动轮,路径由通过节点的皮带从一个基圆轮离开移向另一个基圆轮。交叉皮带传动的很多参数和齿轮传动完全一致,如基圆、节圆、压力角和基圆切线长度等。
    通过运动几何学及渐开线原理,可根据所需齿轮副的减速比相对确定基圆轮的大小。在此阶段尽对尺寸是不重要的,由于最后齿轮可以做到所需的尺寸大小。然后,选择一个基圆齿厚并在一个齿轮上画出渐开线齿形以及与齿轮的间隔,确定其工作压力角。齿轮外径可以不考虑。至此齿轮已经确定,其它部分可以自行展成。部分结构齿轮沿其配对齿轮的节圆回转,形成配对齿轮的齿形轮廓。齿顶在公道的直径处被切除,第二个齿轮沿第一个齿轮的节圆回转形成齿根部分。这就是按最大实体条件设计齿轮。考虑到偏心和模制公差,轮齿需减薄或略微向外拉开以便有足够的间隙,齿轮外径公差比最大实体小,避免干涉。
    这种自展成构建技术使设计者能在塑料齿轮啮合时最大限度的发挥齿轮的作用和性能。轮齿可以做得更长以增加啮合工作区,或加大齿厚以增加齿的强度。仍需留意的是传统齿轮所涉及的接触比和齿轮强度等题目。
    这种设计方法的另一个优点是,CAD绘制的几何图形可用来与模制齿轮进行比较——采用光学方法或扫描式坐标丈量机进行对比丈量。
    塑料齿轮制造中的下一个关键步骤是模具设计。此阶段需预估塑料齿轮几何外形的收缩情况,否则将造成很多已检测合格的齿轮传动不正常或根本不能正常工作。
    塑料齿轮的收缩很复杂,大致可分为两个方面:宏观的和局部的。齿轮基体和简单对称的齿轮其主要参数的收缩量基本相同,包括齿轮外径、齿根圆直径、基圆和节圆等。单个轮齿的局部收缩量则完全不同,齿厚和其它参数几乎不收缩。在有些情况下,由于局部作用还可能膨胀,这种情况在空心结晶材料(如尼龙和乙缩醛)中尤为明显。

    塑料齿轮的检测

    由于存在非均匀收缩现象,因而不能只是简单丈量齿轮的中径来决定收缩率,或进一步与标准齿轮(丈量齿轮)进行啮合来确定齿轮的外形误差,而必须对整个齿轮进行检测。一个可能的方法是将所有齿的渐开线齿形进行扫描丈量,并以理想齿形为基准对该齿形进行最佳拟合。拟合图中的迹线代表相对于理论齿形的齿形误差,沿着齿轮圆周齿形误差迹线的倾斜变动,表示齿轮的偏心。经过偏心补偿后的结果表明,齿轮因收缩达到每10mm上0.09mm的误差,造成了很大的径向跳动,被测齿轮的齿厚比规定值大了很多。
    塑料齿轮用户可采用CAD图形与模制齿轮外形进行比较的方法进行检测。当正确考虑收缩量后,用基准齿轮进行简单的齿轮对滚检测,可用于批量生产。

    塑料齿轮的设计验证

    不管塑料齿轮传动中元件的设计和检测做得多好(包括箱体、齿轮、轴等),对塑料齿轮传动系统进行传动试验是很必要的,否则,就不可能猜测塑料齿轮传动系统的传动扭矩能力、平稳性、噪音和寿命。进行这些功能试验的最好方法是使用传动测力仪直接丈量输进、输出扭矩和角位移/角速度,最好在传动箱上再安装一个加速度计。输进和输出扭矩和/或速度的频谱分析将发现不正确的轮齿几何外形;而加速度计的频谱分析,不仅可发现不良齿形,还可显示生产生噪音的振动功率。比较输进输出功率(传动效率)将会发现轴系平行精度不好、尺寸太大或齿根未切到尺寸造成卡阻以及其它缺陷。
    塑料零件的尺寸在加工过程中极易产生变化,如模具的清洁、重新加工、模制复合物的改变、加工过程的变动等都能造成尺寸的变化。
    定期用测力仪(功率仪)检测产品,通过将产品和样机的测力仪信号进行比较,可以发现在检测几何外形时被遗漏的分歧格零件。
    传动测力仪的结构有简单的也有复杂的。很多传动系统是由直流电机驱动的。直流电机的电流是一个很好的扭矩指示仪,EMF波形能指示速度。在输出端连上第二个电机就构成了一个完整而简单的扭力测试系统。