塑料齿轮的结构设计

塑

件

名

义

壁

厚

的

基

本

要

求

名

义

壁

厚

塑料齿轮的结构设计与其他塑料零件一样，有一个共同的核心问题，即塑件在冷凝过程中的收缩。“名义壁厚”是对任何好的塑件设计方案都同样重要的指标之一。它基本上决定了塑件的形状与结构。尽管对于注塑成型塑件来说，并没有一个平均壁厚之类的概念，但十分常见的塑件壁厚多控制为3mm左右。而名义壁厚的变化，也是很重要的，应在一定范围内。对于低收缩率材料的名义壁厚变化应小于25%，而高收缩率材料则应小于15%。如果需要对壁厚作更大的改变，就必须对塑件壁厚作出必要的技术处理。因为塑件壁厚变化较大时，厚壁和薄壁的冷凝快慢、收缩大小不均，这样就会导致塑件弯曲变形和尺寸超差

名

义

壁

厚

设

计

及

其

效

果

必须把握好塑件名义壁厚和内角倒圆两个基本准则。下图为双联齿轮设计示例：

图a各部壁厚差异较大和内角处没有倒圆为不良设计；图b为不良设计注塑成型的塑料齿轮，出现轮缘凹陷，内孔口向内翘曲和模具制造成本较高等缺陷；图c为较好的设计方案。其优点是：

1)塑件各部壁厚基本一致，2)齿轮腹板的结构和位置合理，3)降低了模具的制造成本，4)基本上消除了塑件出现如图b所示的各种不良缺陷

两

壁

交

汇

处

避

免

出

现

尖

角

当塑件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倒圆时，即可改善塑胶熔体流动的途径，又可使塑件获得比较均匀的壁厚，还可将应力扩散至一较大的区域。通常内角倒圆半径范围为名义壁厚的25%~75%。较大的倒圆半径虽然会减小应力集中，但会使塑件倒圆处的壁厚变大。当内角处有相对应的外角时，即可通过调整外角半径值，就可满足塑件保持一个较均匀壁厚的要求。如图e所示，塑件内角倒圆半径为名义壁厚的50%，则外角倒圆半径取150%

名

义

壁

上

的

加

强

筋

筋

的

高

度

、

壁

厚

和

间

距

所有齿宽较厚、形状复杂的塑料齿轮，都在名义壁上设置如图f、g、h所示凸筋。塑料齿轮最常见的是加强筋，其目的：一是增强齿轮的刚性和提高塑件尺寸的稳定性；二是控制注入型腔塑胶熔体的流程；三是减轻齿轮的重量，节省材料

通常塑件凸筋的高度不应超过名义壁厚的2.5~3倍；尽管较高的凸筋会增强齿轮的刚性，但也可能造成塑胶熔体的填充和排气困难，以致很难准确成型。因此，往往采用两条矮筋代替一条高筋的设计方案。凸筋的厚度对于高收缩率材料，推荐取为名义壁厚的一半，对于低收缩率材料，则大约为75%。凸筋的合理厚度将有助于控制凸筋与名义壁接合处的收缩，接合处应倒圆，最小倒圆半径可取壁厚的25%。取较大的倒圆半径将会增加接合处的厚度，会在设置凸筋处的塑件外表面上出现凹陷。当需要使用多条凸筋时，筋与筋之间的距离不应小于两倍名义壁厚。凸筋间距太小，可能会造成凸筋处很难冷凝，并产生较大的残余内应力

不

同

加

强

筋

的

实

例

雨刮、摇窗等汽车电机中的塑料斜齿轮的特点是齿宽较厚，直径较大。为了提高齿轮的成型精度和机械强度，通常在齿轮两端面上设置有不同形式的加强筋。如图i为轿车雨刮电机塑料斜齿轮驱动轴一侧端面上的轮缘与轮毂之间，设置了环状和辐射式加强筋。图j为摇窗电机塑料斜齿轮的沉孔和加强筋的设置，其造型美观适用，既减轻塑件重量、增强刚性，提高注塑成型精度和尺寸稳定性，还节约了制造成本。在设计环状和辐射状凸筋时，应保证这类凸筋不会影响斜齿轮的顶出与旋转脱模

齿

轮

的

轮

缘

︱

轮

毂

带

轮

缘︱

轮

毂

的

塑

料

齿

轮

设

计

最简单塑料齿轮的基体结构是片状齿轮。这种只有单一名义壁的齿轮，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，设计成腹板和轮毂一轮缘式的基体结构，将有利于动力传递的要求

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。轮齿的厚度和齿高已经由齿轮的强度要求所决定，困难在于确定齿轮的哪个部分应选作为名义壁，以及它的性能、作用与其他部分之间的关系。齿轮的各个部位按照塑件的基本设计准则，应满足模塑成型的工艺要求。因此，对于任何设计准则，毫无疑问也要作出一些相应的妥协和调整，尽量做到基本满足准则要求

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k所示，可取齿厚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—轮毂是设置在腹板上，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。但腹板的厚度仍不应超过轮缘厚度的1.25~3倍。为了便于塑胶熔体的填充和减少出现应力集中，应对塑件基体结构上所有内角进行倒圆，倒圆半径为壁厚的50%~75%

塑

料

齿

轮

腹

板

设

计

在塑料齿轮的腹板上设计孔洞减轻塑件重量和降低成本的做法应该避免。因为在塑件孔洞周围的表面增加皱纹，并在齿圈上如图l所示，将产生高、低收缩区，使得齿轮齿顶圆直径偏差和圆度误差变大；这种不良的基体结构设计还削弱了齿轮的强度

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之需要，应尽量避免。如果必须设置，就应该在齿轮的两侧设置如图m所示的方位刚好对称错开的加强筋，尽量降低塑件高、低收缩区的影响

金

属

嵌

件

带

金

属

嵌

件

的

塑

料

齿

轮

设

计

汽车雨刮器的驱动轴，是嵌埋在塑料斜齿轮中的金属嵌件，这类金属嵌件如图n左图所示。在设计带金属嵌件的塑料齿轮结构时，必须注意以下两个结构性问题

塑胶

层的

厚度

嵌埋有金属轴类嵌件的塑件，由于塑料的成型收缩会引起塑件包裹层产生应力，如果塑胶包裹层太薄，这种应力可能会导致制品开裂。如果在塑胶层处还有熔接痕时，更要注意这类情况的出现。塑胶层的厚度取决于金属嵌件的直径大小，可参照图n右图中所示关系确定

金属

轴的

嵌埋

段结构

为了防止在动力传输中，斜齿轮与驱动轴之间出现滑转现象，可将嵌埋段滚轧成直纹三角滚花。为了防止驱动轴相对斜齿轮产生轴向位移，在花键段中部加工有凹槽。金属嵌件的凹槽的深度不宜过大，防止嵌件凹槽处塑胶成型收缩产生应力集中，致使塑件发生破损