塑料齿轮传动能力和成型能力的.doc

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毕业设计

题目塑料齿轮传动能力和成型能力的

有限元分析

学生姓名

专业班级

学号

系（部）机械工程学院

指导教师（职称）

完成时间

毕业设计（论文）任务书

题目塑料齿轮传动能力和成型能力的有限元分析

专业机械设计制造及其自动化学号姓名

主要内容

本文简要的介绍了塑料齿轮传动能力和成型能力的有限元分析课题的背景，塑料齿轮由于传动噪声低、能够吸振、自润滑，且其可以开模加工，生产效率高，应用领域广泛等优点，在齿轮行业的应用会越来越多，因此塑料齿轮的设计成为趋势。

这就要求计算出锥齿轮、斜齿轮、直齿轮三中齿轮的弯曲应力，得出齿轮在一定寿命循环次数下能够满足强度要求。

分析出齿轮的等效应力，与塑料原料的屈服强度对比，得出塑料齿轮满足相应的强度条件。

利用CAE软件Moldlfow对该齿轮在不同模具结构和材料下的成型品质进行模拟研究，以其确定成型该塑料齿轮的合理模具结构和成型材料。

通过相关资料调研，目前成型塑料齿轮使用的大多是点浇口进胶，另外可根据齿轮的大小选用单浇口或多浇口进行模具设计。

基本要求

1.利用pro/E软件的参数化设计，再加上塑料齿轮各个参数之间的关系，建立了塑料齿轮的参数化模型，可以通过调整基本参数的值重新生成齿轮模型的程序，生成新的齿轮模型。

2利用路易斯公式计算出齿轮的需用应力，利用根据数据得出齿轮能够满足强度要求。

3利用有限元软件ANSYS分析出齿轮的等效应力，与塑料原料的屈服强度对比，得出塑料齿轮满足相应强度条件。

4利用Moldflow软件模拟分析，得出两种材料在不同模具结构条件的成型结果。

通过比较，发现四浇口的模具结构比较适合该塑料齿轮的成型，能够得到较好的成型品质。

参考文献

[1]王刚，单岩．Moldflow模具分析技术基础［M］．北京:

清华大学出版社，2005:

1－20．

[2]黄虹：

塑料成型加工与模具，化工工业出版社，2003.3

[3]黄胜杰、机械科技研究中心：

实战Pro/ENGINEER工程图，中国铁道出版社，2002.10

[4]中国机械工程学会、中国模具设计大典编委会：

中国模具设计大典，江西科学技术出版社，2001

[5]朱光力、万金保等：

塑料模具设计，清华大学出版社，2003[5]伍先明、王群等：

塑料模具设计指导，国防工业出版社，2006.5

[6]M.M.Fisher，F.E.MarkandT.Kingsbury:

Energyrecoveryinthesustainablerecyclingofplasticsfromend-of-lifeelectricalandelectronicproducts，2005IEEEInternationalSymposiumonElectronicsandtheEnvironment，May2005.

[7]BillDavies.SergeJonnaert：

GuidetoBetterHotRunnerControlWhitePaper，MoldflowCorporation，March2004.

[8]许志：

模具造型的数字化扫描及数控加工技术，制造技术与机床，1996年第9期

[9]赵葛霄：

仿形技术在模具设计制造中的应用研究，模具工业，2001年第2期

完成期限：

2012年12月15日至2013年6月12日

指导教师签名：

专业负责人签名：

2013年12月15日

塑料齿轮传动能力和成型能力的有限元分析

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1概述 1

1.1国塑料模具的现状 1

1.2塑料齿轮简介 2

1.3塑料齿轮的发展趋势 3

1.4Moldflow软件的使用 4

1.5有限元分析 5

1.6塑料齿轮的常用材料 6

2圆柱渐开线塑料直齿轮传动轮系的设计及有限元分析 7

2.1塑料直齿轮初始模型的建立 7

2.2塑料直齿轮的基本几何参数 8

2.3单元类型、材料属性和划分网格 9

2.4塑料直齿轮的传动能力计算 10

3圆柱渐开线塑料斜齿轮传动轮系的设计及有限元分析 14

3.1塑料斜齿轮的传动特点 14

3.2塑料斜齿轮初始模型的建立 14

3.3塑料斜齿轮的基本几何参数 15

3.4塑料斜齿轮正确啮合的基本条件 16

3.5塑料斜齿轮传动能力的计算 17

3.6塑料斜齿轮的有限元分析 19

4渐开线塑料锥齿轮传动轮系的设计及有限元分析 22

4.1塑料锥齿轮初始模型的建立 22

4.2塑料锥齿轮的基本几何参数 22

4.3渐开线锥齿轮齿廓的相关几何参数的分析 23

4.4塑料锥齿轮的传动能力计算 24

4.5塑料锥齿轮的有限元分析 25

5利用Moldflow软件分析不同模具结构对塑料齿轮成型品质的影响 27

6结论 31

7设计总结 32

致谢 33

参考文献 34

塑料齿轮传动能力和成型能力的有限元分析

摘要

本课题主要介绍了塑料齿轮传动能力和成型能力的有限元分析课题的背景，塑料齿轮由于传动噪声低、能够吸振、自润滑，且其可以开模加工，生产效率高，应用领域广泛等优点，在齿轮行业的应用会越来越多，因此塑料齿轮的设计成为趋势。

这就要求计算出锥齿轮、斜齿轮、直齿轮三中齿轮的弯曲应力，得出齿轮在一定寿命循环次数下能够满足强度要求。

分析出齿轮的等效应力，与塑料原料的屈服强度对比，得出塑料齿轮满足相应的强度条件。

利用CAE软件Moldlfow对该齿轮在不同模具结构和材料下的成型品质进行模拟研究，以其确定成型该塑料齿轮的合理模具结构和成型材料。

通过相关资料调研，目前成型塑料齿轮使用的大多是点浇口进胶，另外可根据齿轮的大小选用单浇口或多浇口进行模具设计。

关键字：

塑料齿轮；有限元；传动能力；成型品质

FINITEELEMENTPLASTICGEARTRANSMISSIONCAPACITYANDMOLDINGCAPACITYANALYSIS

ABSTRACT

Thispaperintroducesthefiniteelementplasticgeartransmissioncapacityandmoldingcapacityanalysisofthebackgroundofthetopic,theplasticgeartransmissionnoiselow,duetovibration,selflubrication,andcanopenmoldprocessing,highproductionefficiency,theadvantagesofawiderangeofapplications,theapplicationinthegearindustrywillbemoreandmore,sothedesignofplasticgearsbecomeatrend.Thisrequiresthebendingstressofbevelgear,bevelgear,gearthirdgeariscalculated,thegearcanmeetthestrengthrequirementsinacertainlifecycle.Analysisofthegearoftheequivalentstress,andplasticrawmaterialyieldstrengthcontrast,theplasticgeartomeetthestrengthconditionofthecorresponding.

AsimulationstudywascarriedoutontheformingqualityofgearindifferentdiestructureandmaterialsusingCAEunderMoldlfow,thedeterminationofreasonablediestructureandformingmaterialoftheplasticgear.Throughtherelevantdata,theuseofplasticgearsaremostlypointgateintotheglue,andaccordingtothegearsizeselectionofasinglegateormulti-gatemolddesign.

Keywords:

plasticgear,finiteelementmethod,transmissioncapacity,moldingquality

35

1概述

从20世纪60年代开始，由于计算机技术的快速发展和广泛使用，CAD/CAE技术也得到了快速发展，由于模具CAD/CAE技术的快速发展和使用，使得模具设计和加工的成本降低了很多，效率也提高了不少，我们已经对这个技术充分认可。

Moldflow软件的使用是其中很具有代表性的，Moldflow软件不仅可以模拟和分析热塑性塑料熔体注入模具的流动进程，而且能够对很多情况进行等进行模拟分析，例如，注入塑料的浇口位置、压力排布、冷却进程和注射工艺等条件。

近二十年来，随着高强度、高耐磨等高性能工程塑料研发和改型的成功，特别是在全球汽车工业飞速发展和军备竞赛等的驱动下，塑料齿轮的开发和应用已经取得了长足进步。

现在塑料齿轮已经在汽车电装产品中成功取代了传统金属齿轮，近来又成功应用于小型航空器上控制表层稳定的动力螺旋器、军用领域中的陀螺仪表及操纵装置中。

随着高性能新型热塑性材料不到涌现，有望在消声减震要求更高、机械加工难度更大的齿轮等领域中，获得越来越广泛的应用。

总之，塑料齿轮在当代齿轮构造中，已经发展为最快、活力最强的产业之一。

1.1国塑料模具的现状

在传统金属铸造生产中，产生了模具行业，包括了各种用于金属和非金属快速成形的模具装备。

从1980年至今，中国模具行业的产值年平均增长显著，我国的模具生产有了很大的提高，有些模具的生产已接近或达到国际水平。

从起步到现在，我国塑模工业历经了半个多世纪，有了举足发展，注塑模具水平有了较大提高。

在大型模具方面，不仅能生产大屏幕彩电塑壳注射模具、而且6.5kg大容量洗衣机全套塑料模具、汽车保险杠以及整体仪表板等塑料模具都已能自己生产；在精确的塑料模具方面，也有了很大的发展，制造处很多新的塑料之间，取得了较大的成绩。

目前在我过很多模具企业，已经制造出多腔的VCD与DVCD塑料齿轮模具，他们生产的这些塑料齿轮已经达到了很高的水准，在很多方面都有了新的突破。

能够生产一模两腔厚度仅为0.08mm的的航空杯模具和塑料门窗难度较高的挤出模等。

模具型腔制造精度可达0.02～0.05mm，表面粗糙度值为Ra0.2μm，明显提高了模具质量和寿命，与此同时钢模具的寿命已经达到10～30万次，淬火钢模具能达到30～980万次，并且大大缩短了制造时间，但是与国外相比差距仍有较大。

随着时间的推移，科技的发展，在很多方面都有了创新，在设计方面也有了很大的进展。

还有一些厂家使用了C-MOLD等气辅软件，也取得了不错的效果。

比如上海雷斯等公司已能为用户提供气辅成型设备及技术。

模具在热流道方面也开始推广，有些厂家的使用率在20%以上，一般采用内热式或外热式热流道装置，世界先进水平的高难度针阀式热流道装置也少数企业使用。

与国外的50～80%相比，我国模具企业在热流道的采用率不到10%，，差距较大。

CAD/CAM/CAE技术的使用水平在塑料模具制造方面上了一个新高度，以生产儿童玩具的厂家为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，虽花费了大量资金，但这些系统和软件的引进，实现了CAD/CAM的集成，使CAE技术在塑模成型过程中，如充模及冷却等步骤进行计算机模拟，取得了很大的技术经济效益，促进和提高了我国模具CAD/CAM技术的发展。

近年来，我国塑料模CAD/CAM系统自主开发也有了很大发展，这些软件具有我国模具的实际情况，具有在微机上简单易用且价格比较低廉等特点，为进一步使我国企业的模具CAD/CAM技术普及创造了良好条件。

1.2塑料齿轮简介

塑料齿轮室近五十年来才发展起来的一种具有重量轻，惯性小，噪声低，自润滑好等特点的新型非金属齿轮。

这种齿轮采用模塑成型工艺，生产效率高和制造成本低，已广泛应用于汽车电装、办公文仪、食品和环卫、钟表和玩具等行业领域。

近二十年来，随着高强度、高耐磨等高性能工程塑料研发和改型的成功，特别是在全球汽车工业飞速发展和军备竞赛等的驱动下，塑料齿轮的开发和应用已经取得了长足进步。

现在塑料齿轮已经在汽车电装产品中成功取代了传统金属齿轮，近来又成功应用于小型航空器上控制表层稳定的动力螺旋器、军用领域中的陀螺仪表及操纵装置中。

随着高性能新型热塑性材料不到涌现，有望在消声减震要求更高、机械加工难度更大的齿轮等领域中，获得越来越广泛的应用。

总之，塑料齿轮在当代齿轮构造中，已经发展为最快、活力最强的产业之一。

塑料齿轮按材料分类，有热塑性齿轮和热固性齿轮两大类，热塑性齿轮应用最广。

要了解塑料齿轮，需要了解塑料齿轮常用材料及其轮系的设计特点与计算方法；塑料齿轮常用材料物性、轮系材料选配及其齿轮失效特点；塑料齿轮的注塑机与周边设备及其国外最新开发的各种微型注塑机；齿轮注塑模的设计与制造，多种齿轮型腔和齿轮电机参数设计步骤与方法及其特种加工工艺；塑料齿轮的检测，国内外有关塑料齿轮检测的最高成果；塑料齿轮轮系的测绘步骤及方法：

以及获得广泛应用的多种塑料齿轮装置实例。

这样才可以更好的了解塑料齿轮。

长期的科技攻关实践中，我过塑料齿轮的设计制造水平与发达国家之间存在着较大得差距，高精度，高强度等高性能塑料齿轮的研发基础还很十分薄弱，目前仍基本上是由企业根据用户的要求自行攻关，开发和生产。

这种体制上的缺陷，势必制约我国中高档塑料齿轮设计制造水平的提高，从而造成目前我国仍需从国外进口大量中高档塑料齿轮的被动局面。

要突破这一困境，需要有齿轮产品设计，塑料材料研发，注塑模具设计制造等多学科进行联合攻关解决。

1.3塑料齿轮的发展趋势

塑料齿轮在过去的几十年里经历了从新型材料到重要工业材料的一个变化历程。

如今它们已经被应用到汽车、手表、缝纫机、结构控制设施和导弹等领域可起到传递扭矩和运动形式的作用。

除了现有的应用领域外，新的、更难加工的齿轮应用领域还将不断出现，应该说这是一个世界性趋势[3]。

以下从塑料齿轮的应用领域、用途、成型材料和方法等方面进行介绍。

塑料齿轮有很多优点，比如传动噪声低、吸振、自润滑等，而且可以开模加工，生产效率高。

因此，塑料齿轮经常替代金属齿轮用于洗衣机传动装置、通风和空调系统的减振驱动器、流动设施中的阀门传动、公共休息室中的自动冲扫器、小型航空器上用的控制表层稳定的动力螺旋器、军用领域中的螺砣仪及操纵装置等。

最近，德国ZF（蔡夫）公司在制造一种电子-机械式动力转向器时使用了塑料齿轮，这在世界上属于首创。

该种塑料齿轮的原材料为A4H型超强尼龙，由巴斯夫公司提供。

装有这种塑料齿轮的ZF动力转向器首先被安装在宝马牌Z4型汽车上，新一代大众牌高尔夫系列车也批量装备了此种动力转向器。

在这种ZF转向器里，力的传递通过一组小齿轮实现。

早期的塑料齿轮一般是直径小于25.4mm（1英寸）、传输能力不超过184W（0.25马力）的直齿轮。

现在可以制成直径为101.6-152.4mm（4-6英寸）、传输能力为1.47kW（2马力）的各种齿轮。

预计到2010年，塑料齿轮的直径可以达到457.2mm（18英寸）、传输能力可以提高到7.35kW（10马力）以上。

日本树研工业公司开发了一种树脂齿轮，它是通过将碳纳米管、碳纤维等和聚丙烯等树脂材料混合注射成型制得的，由于混合了碳材料，该齿轮的强度得到提高同时摩擦阻力下降、润滑性提高。

该树脂齿轮在拥有导电性的同时还具有屏蔽电磁波的功能。

许多先进的塑料齿轮成型方法正在不断被开发出来。

例如采用二次注射成型法，通过在轮轴和轮齿之间设计一个弹性体可使齿轮运行起来更安静，在齿轮突然停止运转时能够较好地吸收振动，避免轮齿损坏。

轮轴可以被重新模塑上柔韧性更好或价值更高、自润滑效果更好的复合材料。

采用气辅法和注射压制模塑法成型可以改善轮齿质量，提高齿轮整体精度，减小内应力。

在提高齿轮精度方面，采用控制成型精度、注塑压力及其它变量，甚至在型腔内设置温度和压力传感器可以提高成型的一致性和重复性。

在材料方面，可采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚甲醛（POM）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）和聚酰胺（PA）等，尤其是UHMWPE，其耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性、自润滑性、吸收冲击能等性能是现有塑料中最好的，在国际上被称为“令人惊异的材料”。

加之纤维和填料对树脂材料的重要作用，给塑料齿轮提供了更多的选择机会。

1.4Moldflow软件的使用

对于绝大多数热塑性塑料和热固性塑料的注塑成型过程Moldflow拥有大量的且很专业的模拟分析工具能够进行模拟，不仅可以模拟塑料制品充填、保压及冷却阶段的成型过程，而且还能预测出制品成型后的缺陷，还可以分析纤维增强材料的流动过程，预测纤维的流动取向，为改善成型工艺，提高制品质量提供了信赖的科学依据。

Moldflow中的模拟分析工具主要有软件分析模块MoldflowInsight，导入模块MoldflowDesignLink，模型修改模块MoldflowCADDoctor等等。

本文中使用Moldflow软件对塑件在注射及成型过程中塑料齿轮传动能力和成型能力的有限元分析的模拟。

从20世纪60年代开始，由于计算机技术的快速发展和广泛使用，CAD/CAE技术也得到了快速发展，由于模具CAD/CAE技术的快速发展和使用，使得模具设计和加工的成本降低了很多，效率也提高了不少，我们已经对这个技术充分认可。

Moldflow软件的使用是其中很具有代表性的，Moldflow软件不仅可以模拟和分析热塑性塑料熔体注入模具的流动进程，而且能够对很多情况进行等进行模拟分析，例如，注入塑料的浇口位置、压力排布、冷却进程和注射工艺等条件。

1.5有限元分析

有限元分析早在几个世纪前就已经产生并得到了应用，如祖冲之的圆周率，使计算圆的周长方便了许多，但作为一种方法而被提出，则是近现代的事，有限元分析的基本含义就是用简单的问题代替复杂问题然后再求解。

它的解题方法是将一些复杂的问题分成很多很微小的部分，通过计算这些微小的部分，从而计算出整个题目，把复杂的问题变的简单。

由于我们在实际生产过程中，会碰到很多用常规的方法不能解决的问题，但是有限元应用很广，可以帮助我们解决很多复杂的问题，因此它在工程上应用很普遍。

有限元是那些能够集合在一起且表达实际连续域的离散单元。

有限元法的最初称法为矩阵近似方法，主要应用于航空器的结构强度计算，并由于其实用性、方便性和有效性从而引起了从事力学研究的科学家们的关注。

而后经过短短数十年的研究，由于计算机的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种行之有效且实用高效从而被广泛应用的数值分析方法。

有限元分析方法与其他求解边值问题近似方法的本质区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。

对于各种不同物理性质和各类数学模型的问题，利用有限元解疑的大体步骤是相同的，只是具体推导公式和求解运算不是太一样。

利用有限元解题的一般步骤为：

第一步：

根据具体问题求解。

第二步：

离散求解域：

显然离散域的单元越小则近似程度就越好，从而结果也越精确，但计算量及误差都将会增大，因此求解域的离散化成为有限元分析法的核心技术之一。

第三步：

状态变量及控制方法的确定：

一个具体的实际问题通常可以用包含问题状态变量的边界条件的一组微分方程式来表示，为满足有限元的求解，都会把微分方程化为等价的泛函形式。

第四步：

推导单元：

给单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括合适的单元坐标系的选择，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。

为保证问题求解的收敛性，有许多原则单元推导要遵循。

对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。

第五步：

总装求解：

将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。

总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数连续性建立在结点处。

第六步：

联立方程组求解和最后结果：

有限元法最终导致联立方程组。

可选用直接法、选代法和随机法求解联立方程组。

求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

对于计算结果将与设计准则的允许值的比较来确定是否需要重复计算分析。

1.6塑料齿轮的常用材料

塑料齿轮材料聚甲醛（POM）和尼龙（PA66）的特性

聚甲醛的物理特性

（1）较高的拉伸强度与坚韧性、突出的抗疲劳强度。

（2）摩擦系数小，耐磨性好，pv值高，并有一定的自润性。

（3）耐潮湿、汽油、溶剂及对其它天然化学品有很好抵抗力。

（4）极小的吸湿性能、良好的尺寸稳定功能。

（5）耐冲击强度较高，但对缺口冲击敏感性也较高。

（6）模塑成型塑件的收缩率大。

总之，聚甲醛是一种高熔点、部分结晶性的热塑性工程塑料。

它的物理学性能相当优秀，如耐磨性和疲劳性好、硬度高，特别是耐溶剂、刚性（弹性模量）、强度尤为突出、还有较好的化学稳定性、电绝缘性、尺寸稳定性，可替代铜、铜合金、锌、铝和软钢等金属，可以做润滑零件、装饰零件、精密仪表、轴承、齿轮、泵、绝缘外壳等。

因此，均聚甲醛被海外供应商誉为“赛刚”，共聚甲醛被誉为“夺钢”。

PA66的物理特性

（1）PA66在聚酰胺中具有较高的熔点，是一种半晶体，晶体材料。

（2）在较高温度条件下，也能保持较好的强度和刚度。

（3）材质坚硬，刚性好，很好的抗磨损抗摩擦及自润滑性能。

（4）模塑成型后，仍然具有吸湿性，塑件的尺寸稳定性较差。

（5）粘性较低，因此流动性能好，但其粘度对温度变化很敏感。

（6）PA66具有很好的抗溶性，但对酸和一些氯化剂的抵抗力较弱。

2圆柱渐开线塑料直齿轮传动轮系的设计及有限元分析

2.1塑料直齿轮初始模型的建立

建立齿轮的相关参数。

如模数m，齿数z、压力角ɑ，齿宽b，齿顶高系数ha、顶隙系数c。

然后按照相关公式，建立各个参数间的关系式，然后利用渐开线方程建立齿轮轮廓，渐开线的形成原理如图2.1所示。