塑料齿轮设计中的齿根干涉检查及消除

邓智辉

摘要：科技的发展给人们的生活带来了诸多改变，同时也带动了生产工艺的发展。这其中就包括把塑料和电动工具结合的工艺，生产出具有优良特性的塑料齿轮。用现代工艺制造出的塑料齿轮具有噪音小、轻质、腐蚀性强等优点，而且其可以在无润滑状态下正常运转。本文研究塑料齿轮设计中，啮合模拟下的齿根干涉检查方法和齿轮副的顶根接触情况的检查方法，除此之外，还探究如何消除塑料齿轮齿根干涉现象。

关键词：塑料齿轮；齿根干涉检查；干涉消除

引言

塑料齿轮是工业生产中一种比较常见的工具。塑料齿轮以其低成本低廉、抗腐蚀性强的特点在仪表电器领域中经常被使用。工业领域的学者们也是长期着眼于塑料齿轮的研究，许多研究成果大都在于计算其强度，让其在塑料齿轮设计制造上于拥有更杰出的表现。工业生产中对于塑料齿轮的制造一般采取模具成型的工艺，用模具齿圈的形状来生产塑料齿轮的齿形。这样生产出来的塑料齿轮往往伴有啮合干涉的情况，这也是其设计工艺和实际生产的差别所导致，设计齿数小和压力角较小的齿轮更容易发生齿根干涉现象。本文接下来就着重研究分析塑料齿轮设计中齿根干涉检查和消除方法。

1齿根干涉概述

齿根干涉现象是不可避免的，为了极大可能地不发生齿根干涉，常常在设计塑料齿轮时就考虑在理论上最大可能地建立可靠的数据模型，以便避免齿根干涉。然而在实际生产中或多或少都会出现齿根干涉，如何消除齿根干涉至关重要。

干涉是指在一对齿轮齿牙之间的交错面会产生非共轭的接触。齿轮干涉是在往往会发生在齿轮和齿轮副齿根，通常情况下，齿轮副发生齿根干涉的可能会比齿轮发生齿根干涉的可能要大得多，因此，在实际检查中只要挑准小齿轮来检查齿轮干涉即可。发生齿轮干涉的情形有很多，其中渐开线深度不够、齿面点蚀、尺面磨损等现象都会伴随齿根干涉的发生。

齿根干涉带来的危害也很多。在齿轮工作时，往往会因为发生的齿根干涉造成生成事故，轻则会因为齿轮瞬时速度变得很快，发生震动不稳定的情况，重则会造成齿轮卡住，致使齿轮发生断裂造成停产事故。因此，消除齿根干涉有着非常重要的意义。

2塑料齿轮传动设计及分类

塑料齿轮的工作原理，其实是承担了动力传送时的塑胶结构件。在设计塑料齿轮时为了保证其质量往往要结合动力零部件设计原理和塑料结构原理。常见的塑料齿轮原理分为两类，一类传动，一类辅助结构。传动是整个结构的核心，接下来会着重讲齿轮转动的原理。

在齿轮传动设计中要考虑齿形修正和平衡齿厚两种情况。第一，考虑到塑料齿轮的加工工艺为线切割方式，这会大大避免加工时产生根切情况，这样可以减少干涉，但肯定也会产生干涉，所以要进行齿形修正来确保齿齿轮齿合齿廓良好。第二，在生产制作中，由于在齿轮啮合时，会产生不同模数和压力角相同而齿数不等的情况，这样会产生两个齿轮齿根部分宽度相差极大的情况，通常这种情况，会采取变位系数和齿形修正来修正齿根宽度。

齿轮传动的分类为平面齿轮传动和空间齿轮传动。按照生产塑料齿轮的标准规定，需要分度圆齿厚的减薄量和齿根过渡曲线数据来得到所需的塑料齿轮齿形。得到的过渡曲线需用圆弧表示，而渐开线部分的齿形可以根据分度圆齿厚的偏差计算所得。

3齿根干涉检查方法

3.1基于动画模拟的方式

齿根干涉的检查方式有很多，传统的测量方法是通过各类工具进行接触式测量，而在当今计算机普及的时代，可采用计算机的动画模拟技术，重现齿轮啮合过程。具体操作方法如下：可运用当前市面上常用的绘图软件，绘制一系列啮合的塑料齿轮设计模型图，并运用动画的方式进行传动模拟。齿根干涉检查可运用图像放大镜进行图片部位的局部放大，由观察人员来判断齿根干涉的存在与否，并及时找出影响干涉的因素，进而适当调整齿轮的齿廓设计，还需通过反复测试，直至确保干涉消除。

3.2基于机器视觉的方式

上面的基于动画模拟方式是通过肉眼观察得到的，具有费时费力的缺点，因此可以采取较为先进的机器视觉技术，来检测齿轮干涉现象，这一技术不仅适用于大齿轮，还适用于小模数齿轮，并且还能够做到非接触式测量。测量的具体操作方式如下：只需在测量平台上放入待测齿轮进行采样，最终采样结果会反馈回来。具体的原理是首先平台中的摄像头会将拍摄的齿轮成像至CMOS摄像头的感光阵面上，将光信号转为模拟电信号，接着通过量化将其转为数字信号，最后经由数据总线传至计算机内存，并通过机器视觉技术的相应软件进行数据的分析处理，得到较为精确的测量数据。

4齿根干涉消除方法

4.1消除原理

塑料齿轮的齿根干涉发生因素可总结为以下两类：一是塑料齿轮的齿数小、硬度较低、压力角小等导致的渐开线较短的情况；二是在大小齿轮互相啮合的情况发生时，小齿轮的齿根过渡曲线在接触大齿轮时容易发生干涉现象。为了达到消除齿根干涉现象的目的，可以从干涉发生因素出发，常见的消除干涉的方法包括以下几点：1、在齿轮设计时采取变位系数法，将正变位、负变位分别施加至小齿轮和大齿轮，计算最小变位系数，并采用等移距变位法计算大小齿轮的齿形大小。2、原有齿形保持不变，可通过降低齿根强度大小避免发生接触，具体实施时可将小齿轮的过渡曲线向齿根内偏移。该方法虽然也能消除干涉，但是降低了齿根强度，而前者能够在保证齿根强度不变的前提下，只需满足变位系数计算合理的条件，就能消除干涉，因此效果更佳。接下来就重点介绍如何计算最小变位系数，以及如何进行等移距变位齿形设计，以及一些干涉消除的其他方法。

4.2最小变位系数计算

计算消除齿轮齿根干涉的最小变位系数，需要结合齿轮啮合传动的相对运动原理，首先需要将小齿轮固定在某处，缓慢转动大齿轮分度圆，同小齿轮分度圆形成啮合顶点的轮廓线，把大齿轮的齿顶角点设置成边界点并点点相连，画出光滑曲线，进而作为干涉区域的边界线参照。在实际计算过程中，需多次操作，以提高干涉区域边界线的测量精度。

最小变位系数=|边界线与小齿轮齿形交点的极径之差|&pide;齿轮的模数

4.3等移距变位齿形设计

在设计等移距变位齿形时，需要根据之前计算得到的最小变位系数的具体数值大小，对设计的一对大小齿轮的齿形变化数据进行重新调整。其中大齿轮使用负变位，用一段圆弧来表示齿根过渡线；而小齿轮则使用正变位，用一段直线一段圆弧来表示齿根过渡线。

4.4干涉消除的其他方法

除了上述的措施，还有一些较为常用的齿根干涉消除方法，总结如下：

第一，在设计齿轮时对齿根曲线进行合理的调整，可以对齿根进行修缘，改变齿根圆角、齿顶圆角大小，或者对齿根过渡圆弧弧度进行微调。为避免发生大小齿轮接触，可在加工时将齿顶圆的直径改为比标注尺寸略小。

第二，可以适当增大齿根的厚度，在齿厚在上下差极限允许范围之间，将齿槽略微切深一点。

第三，提高齿面的硬度，从而提高齿轮的抗弯性能，防止齿面点蚀和尺面磨损，并能在一定程度上减少折断现象的发生。

第四，对传动较大的齿轮副而言，为避免干涉现象，最好使用少齿数齿轮，保持最小齿轮数，防止干涉的发生。

5结束语

塑料齿轮的齿根干涉现象发生较为频繁，为避免干涉的出现，本文简要阐述了干涉的发生原因，提出了基于动画模拟以及机器视觉技术进行的干涉检查方法，并依据干涉消除原理针对啮合齿轮计算消除齿根干涉的最小变位系数，进行等移距变位齿形设计，将齿根干涉现象消除在设计阶段，此外还总结了其他较为常见的干涉消除措施。消除齿根干涉在生活中具有极大的现实意义，因此希望能为现有的相关研究提供一定的参考价值。

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