塑胶齿轮箱壳体变形的影响因素分析

塑胶齿轮箱壳体变形的影响因素分析

叶德全

东莞力嘉塑料制品有限公司  广东东莞  523000

摘要 本文提出了影响塑胶齿轮箱壳体变形的4大因素：成型塑胶材料、壳体结构设计、模具设计、使用工况；并针对每一种因素都以具体工程案例作为佐证，详细论述每种因素是如何影响塑胶齿轮箱壳体变形，并总结出针对每个影响因素的相应通用改善变形的措施，为塑胶齿轮箱壳体的研发和制造指出了新的技术思路和方向。

关键词：塑胶，齿轮箱，壳体，变形，模具，ANSYS,，Moldflow

引言

随着工程塑胶技术的日益成熟，越来越多的金属产品被塑胶制品所替代，在齿轮箱领域，“以塑代钢”的发展正在受到挑战[1]：塑胶齿轮箱壳体变形会导致齿轮传动轴发生偏移，齿轮副中心距误差，齿轮接触发生卡死或者错位，轻者将会引起齿轮传动噪音、传动不平稳和传动误差，重者将导致齿轮箱整体失效[2]。所以为了更好地推动“以塑代钢”在齿轮箱行业的发展，必须重点关注塑胶齿轮箱壳体的变形问题。

塑胶齿轮箱壳体变形的影响因素

根据多年生产实践和科学研究的总结，可以将塑胶齿轮箱壳体的影响因素归纳为下列因素：1、成型塑胶材料；2、塑胶齿轮箱壳体结构设计；3、模具设计；4、塑胶齿轮箱的使用工况。本文将在后续内容详细论述以上4大因素如何影响塑胶齿轮箱壳体变形。

1 成型塑胶材料对塑胶齿轮箱壳体变形的影响

不同种类的塑胶材料收缩率千差万别，例如，聚甲醛的收缩率约为2.438%，而聚碳酸酯的收缩率约为0.7%[3]；而就算是同一种类的塑胶材料，由于是不同厂家生产，工艺有所不同，也会导致同一种塑胶材料的收缩率有所差别；此外填充物的种类和比例也是造成成型塑胶材料对齿轮箱壳体变形有重大影响的因素。

以某型号机械手臂关节驱动行星齿轮箱研发项目为例，初始方案中，行星齿轮箱壳体的材料选择为Hostaform C 9021 GV1/1，即POM填充10%玻璃纤维，由下图1 左边Moldflow翘曲分析结果可知，最大翘曲变形量达到1.191mm，壳体变形量过大，无法满足精确传动的要求；优化方案采取更换材料的措施，选择牌号Zytel HTN59G55LWSF，即PA66填充55%玻璃纤维；由下图1右边 Moldflow 翘曲分析结果可知，最大变形量为0.8022 mm，塑胶壳体变形量下降33%，后续试制样品的实测数据也显示，更换材料种类后，这款机械手臂关节驱动行星齿轮箱的壳体变形量的确得到了改善。

图1 不同材料变量对比

2 结构设计对塑胶齿轮箱壳体变形的影响

塑胶齿轮箱壳体设计时，要求尽量做到壁厚均匀[4]，壁厚不均会造成各部分的冷却收缩速度不相同，从而导致翘曲变形；如下图2 左边 所示，某型号剪草机密封防水式静音塑胶齿轮箱的壳体，初始方案中由于结构设计不合理，导致壳体翘曲变形严重，上壳体最大翘曲变形量大1.5 mm ，装配过程中发现，上下壳体的配合有较大缝隙，无法实现密封防水和静音要求；优化方案是更改结构设计，如图2右边所示，在上壳体表面增加加强筋，并在下壳体的内侧面螺纹柱侧设置加强筋，由Moldflow翘曲分析结果可知，更加结构后的上下壳体总翘曲变形量下降为0.8 mm，装配缝隙较小，满足密封防水和静音要求。

图2 不同结构设计对比

3 模具设计对塑胶齿轮箱壳体变形的影响

注塑模具设计是一个专门课题[5]，本文不扩展讨论其他方面，仅以浇口和流道为例。如图3.1所示，某机械手臂末端执行器塑胶行星齿轮箱壳体的模具浇口和流道设计不合理，使得填充时流道内的熔体流动速度不一致；而通过浇口进入型腔后的流动也不均衡，使得壳体样品实测时真圆度偏差达到0.15mm，不符合规范标准；优化方案采取更改模具设计的措施，具体是将U型流道改为中间45°的直流道；同时浇口作以下调整：尺寸增大10%，位置向外圆周偏移5%。如图3.2所示，经过优化流道和浇口，溶胶在流道内的流动速度变得一致，通过浇口进去型腔后的流动也更加均衡，优化后的壳体样品实测真圆度偏差下降为0.08mm，符合产品要求。

图3 不同浇口流道设计填充效果对比

4使用工况对塑胶齿轮箱壳体变形的影响

上述1-3点都是针对塑胶齿轮箱壳体在生产制造过程中的发生变形的影响因素进行分析，本章节针对塑胶齿轮箱壳体在投入使用后发生变形的情况进行讨论。载荷因素对塑胶齿轮箱壳体变形的影响可谓立竿见影[6]。

以某型号剪草机塑胶齿轮箱的壳体为例，由于其装配设计的原因，需要依靠壳体自身来承受来自剪草机轮子对整机自重的支反力，相当于将剪草机的重力通过输出轴卸载到塑胶齿轮箱壳体上，运用有限元结构仿真技术可分析出，在此载荷下的塑胶齿轮箱壳体变形量，如图4所示；工程师可根据此分析结果评估此量级的变形是否会对齿轮传动产生影响，有利于优化设计。

图4  外部载荷工况

综述

塑胶齿轮箱壳体变形是受到成型塑胶材料、壳体结构设计、模具设计、成型工艺条件、使用工况4种因素综合影响结果。针对不同的塑胶齿轮箱壳体，都可以在每一个影响因素中找到相应通用的措施来减少变形的发生：

（1）合理选择塑胶材料的种类，可以选择收缩率较小的塑胶材料来尝试改善壳体变形；

（2）塑胶齿轮箱壳体设计要尽可能做到壁厚均匀，加强筋分布合理，避免收缩不均和冷却不均导致的变形；

（3）塑胶齿轮箱壳体的模具设计需要重点考虑浇口和流道的影响，可以借助模流仿真技术设计最佳浇口，并优化流道的分布；

（4）塑胶齿轮箱在使用过程中，需要合理选择载荷工况，避免受载变形，可以运用结构有限元仿真技术，模拟出塑胶齿轮箱壳体在预见的载荷工况下的变形量，评估此变形量是否会影响传动。

参考文献：

[1]李红林. 超高速注射及模具技术[J]. 新技术新工艺，2005（3）：44-45.

[2]吴春芝. 塑料工程化研究进展[J]. 工程塑料应用，2004（1）：64-67.

[3]张晓云，谈桂春，高英莉. 2004年我国工程塑料加工技术进展[J]. 工程塑料应用，2005（6）：63-69.

[4]黄泽雄. 最新塑料制品设计的发展趋势[J]. 国外塑料，2005（12）：23-25.

[5]张维合. 塑料成型工艺与模具设计[M]. 北京：化学工业出版社，2014:165-172.

[6]张波，盛和太.  ANSYS有限元数值分析原理与工程应用[ M ] .北京: 清华 大学出版社. 2 0 0 5

[7]王刚，单岩. Moldflow模具分析应用实例. 北京：清华大学出版社，2005.