自动门减速电机塑料蜗轮与钢制蜗杆传动参数优化

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Drive Parameter Optimization for Plastic W orm andSteel Worm of Auto.door Gear MotorSHENTU Jun，ZHAN Min，JIN Jiangbo，TAN Chunping(Linix Motor Co.，Ltd.，Hengdian Group，Dongyang，Zhejiang 3221 18，China)Abstract：Drive motor is the center of automatic door. The strength and noise of the mechanical drive become thecommon problem in the auto-door industry.The drive about plastic and steel worm is one kind of drive mechanism，touse the plastic bevel gear as plastic worru replacing the steel one for realizing the driving force and motion.The articlestudied the parameter optimization of gear tooth strength based on the material variance，to solve the technologicproblems on auto-door life span and noise.Through the positive transverse deflection of the plastic bevel tooth form andthe reinforced injecting molding of the end face，the life span reaches 1 milion cycles for testing。

Key words：auto-door；transverse deflection；injecting molding；bevel gear在蜗轮蜗杆传动中，为了提高减摩耐磨性能，蜗轮齿圈通常采用贵重的青铜制造，此类设计主要存在制造成本高、产品使用过程整体噪音较大等缺陷 j。

自动行业对机械传动强度和噪音要求非沉刻。由于塑料与金属相互摩擦传动有较好的降噪效果，但设计上需要考虑塑料材质的承载强度及使用寿命〖虑到金属材料相对塑料有较好的强度与耐磨性，可通过塑料斜齿轮齿形横向正变位设计，结合塑料的注塑成型优势保证塑料蜗轮的强度，对产品的优化可行性设计起到巨大的推动作用。

1 塑料斜齿轮设计原理蜗轮在结构上与斜齿轮不同，大多数机加工蜗轮均设计有喉径，以便于蜗杆有-定长度的线接触。但是这样-种设计结构不适应模塑蜗轮的脱模，通常多采用斜齿轮代替蜗轮，由于斜齿轮是通过点啮合来传递动力的，因此增大了齿面压力、温度和磨损 J。为了提高塑料齿轮强度，通常采用正变位系数的方式，即所谓的径向变位，但变位系数较大时，又会使啮合轮齿的接触线过分的缩短，反而降低其承载能力 J。文章主要阐述横向变位在齿轮加工过程中的应用，变位的目的就是为了保证强度而增加齿厚，采用塑料注塑成收稿日期：2012-08-24；修回日期 ：2012-09-29作者简介：申屠君(1980)，男，浙江东阳人，横店集团英洛华电气有限公司工程师，主要研究方向为齿轮加工技术。E-mail：097### linix.corn.an· 90· 轻工机械 LightIndusuyMachinery 2013年第1期型斜齿轮代替蜗轮，不但可以实现较低制造成本的齿形横向变位设计，而且也可以利用注塑成型的优势，实现较理想的外形结构，达到精加工滚齿无法实现的结构强度。

2 优化方案考虑到自动门传动机构在运转过程齿轮需承载较大的传动扭矩并需承受瞬时的较大冲击，塑料齿轮的缺点是较低的承载力和抗冲击能力，温度的敏感性高。

研究表明载荷用下塑料齿轮的啮合重合度会急剧上升，齿尖与齿面的接触很容易发生，这是导致摩擦升温的主要原因，而温度升高又进-步降低齿轮的刚度。

自从 1935年尼龙纤维的研制成功，高分子合成材料工业迅速发展，塑料作为-种新型的齿轮材料已经得到了广泛的应用，与金属材料相比，塑料在成本、设计、加工和性能上具有很多优势。塑料成型设计的自由度保证了更高效的齿轮制造，对产品的优化可行性设计起到巨大的推动作用 J。

采用普通标准模数齿厚的塑料齿轮设计无法满足自动门行业的特殊要求，通常需要增加塑料斜齿轮的承载强度I6-7]，设计上通过齿轮正变位的方式，但正变位过大时容易产生齿顶变尖(S 0)或齿顶厚过小的现象，为了保证齿轮的齿顶强度，齿顶厚不能太小，-般要求 5 ≥0.25。标准渐开线齿轮的分度圆齿厚计算为(竹m)/2 1.57m，其中，m为模数，假设我们预先定义 1.57为齿厚系数(常数)，标准设计的塑料斜齿轮和钢制蜗杆的齿厚系数均为 1.57。由于钢制蜗杆强度性能优于塑料，因此为了增加塑料斜齿轮强度同时保证齿顶厚度，设计将塑料斜齿轮的齿厚系数由标准值 1.57增加到2～2.2，可有效提高塑料斜齿轮强度，因此优化设计的第-步即对塑料齿轮齿厚系数进行调整，在保证钢制蜗杆强度的前提下增加塑料斜齿轮的法向齿厚，图1是标准塑料斜齿轮和优化设计后的斜齿轮齿形对比图 。

根据以上塑料斜齿轮的横向变位方案，可通过定制非标滚刀或直接注塑成型两种不同的工艺达到产品制造的目的〖虑到注塑有良好流动性，能生成外形复杂、尺寸精确或带嵌件的制品，生产效率优于精加工。注塑斜齿轮的参数优化的范围可涉及齿轮材料、压力角的大孝径向(横向)变位系数、齿顶高(顶隙)系数、齿根过渡(齿顶过渡)圆角半径、注塑加强筋的结构设计等，提高塑料斜齿轮的抗载荷强度。参数优化项目见表 1。

(a)优化前 (b)优化后图 1 齿形优化前后对比Figure 1 Optimization result of gearshape before and after表 1 参数优化表Table 1 Parameter optimization table在保证蜗杆与塑料蜗轮正常啮合的前提下，结合三维绘图软件 SolidWork(图2为装配及剖面示意图)，进行注塑斜齿轮的强度优化。图中所示蜗轮是-种介于蜗轮与斜齿轮组合结构，图2(b)中所示左侧为圆弧蜗轮结构，右侧为横向变位斜齿轮，轮齿啮合发生在中心位置结合处。斜齿轮起到方便旋转脱模的作用，改进后的齿轮与普通的斜齿轮相比，大大提高齿面抗重载及瞬时外界冲击的能力，这-结构设计是采用齿轮滚齿精加工时无法实现的。

(a)立体图 (b)主视图 (c)剖面图图2 蜗轮与斜齿轮装配及剖面示意图Figure 2 Assembly and plofile drawing ofworm gear and bevel gear由于塑料具有较小的弹性模量，当塑料蜗轮与钢制蜗杆啮合时，随着外界负载扭矩的逐渐增大，齿面接触处痕迹呈现出椭圆形，接触面积随着载荷的增加而不断增大，即齿轮的啮合重合度不断的上升，因此当传动扭矩达到塑料蜗轮所能承受的最大临界值时，传动[制造·使用·改进] 申屠君，等：自动门减速电机塑料蜗轮与钢制蜗杆传动参数优化过程易发生的3类主要的失效形式为齿轮断齿、齿面磨损和塑性变形，设计时可通过增加齿根强度、材料的选择、改善模具注塑致密性等方法均能有效地提高塑料齿轮强度。如图3所示，在塑料斜齿轮工件图面设计时增加齿顶、齿根的圆角过渡是最为有效简洁的方法，对塑性齿轮变形时引起的断齿有较好的预防效果，但齿根圆角大小要根据实际设计顶隙系数的大小确定，避免啮合过程产生齿轮啮合干涉 。

- 三耋E 匡 - (a)B-B剖视B(b)结构主示图图3 蜗轮与斜齿轮组合结构图Figure 3 Combination structure ofwormgear and bevel gear3 结语通过上述齿轮参数及加工工艺的优化，经 自动门测试系统循环寿命测试，150万次循环(每次循环周期为24 S，门重为200 kg)后均无故障发生，实现了比原先未优化设计之前的寿命延长了2倍的目的。由于文中提到的齿厚系数为-常量可变值，目前尚无精确的理论推导计算公式来有效地计算塑料斜齿轮的齿厚系数 ，也无相应的齿厚增加后的齿轮强度计算公式。类似设计可推广应用在汽车机械传动零部件行业，例如玻璃升降器，汽车座椅驱动器等采用斜齿轮代替蜗轮传动，为保证塑料斜齿轮的强度而增加齿厚。日后需进-步研究蜗杆与塑料斜齿轮齿厚系数分配与齿轮强度的对应关系，并通过相应的形式试验完成其理论计算的验证。