塑胶齿轮和金属齿轮在材料特性、成型工艺、受力形变、使用环境上差异大，设计时需要从材料选型、几何与模数设计、精度与公差、结构与成型、受力与强度、润滑与摩擦、环境适配、装配与传动、成本与量产九大维度系统考虑。

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一、基础材料选型（最核心前提）
塑料的力学、热学、成型特性直接决定齿轮能否满足工况，优先匹配使用场景选基材，再考虑改性方案：
1. 关键材料性能指标
力学性能：拉伸 / 弯曲强度、冲击强度、疲劳强度、弹性模量（模量低易弹性形变，影响传动精度）、蠕变特性（长期受力是否缓慢变形）；
热性能：热变形温度（HDT）、玻璃化转变温度（Tg）、线膨胀系数（塑料膨胀远大于金属，易造成卡滞、间隙变化）；
摩擦磨损：自润滑性、摩擦系数、磨耗量（无油工况优先自润滑材料）；
成型性能：流动性、收缩率、翘曲倾向、结晶度（结晶塑料收缩大、翘曲明显，如 POM、PA）；
化学抗性：耐油、耐水、耐溶剂、耐酸碱、耐候性（户外 / 特殊介质场景）。
2. 常用齿轮塑料及适用场景
POM（聚甲醛 / 赛钢）：综合最优，自润滑、耐磨、强度高、成型稳定，中小模数通用齿轮首选，家电、玩具、办公设备主流；
PA6/PA66（尼龙）：韧性好、耐冲击，但吸湿性大，尺寸会随湿度变化，需预留吸湿公差，适合低载荷、有冲击的传动；
PBT/PET：刚性好、翘曲小、耐温中等，适合精密小模数齿轮；
PC（聚碳酸酯）：高透明、高抗冲，刚性一般，适合低载荷、外观有要求的齿轮；
PEEK：耐高温、高强度、超耐磨，用于汽车、航空、高端精密传动，成本极高；
改性塑料：玻纤增强（提升强度 / 模量，降低蠕变）、加 PTFE / 二硫化钼（提升自润滑）、碳纤增强（高刚性耐磨）。
二、几何参数与模数设计
塑料齿轮不建议直接照搬金属齿轮参数，需适配材料柔性与成型限制：
1. 模数与齿数
优先选用标准模数，塑料齿轮常用0.2~2.5mm小模数，大载荷、大扭矩不建议用纯塑料，可包塑金属芯；
齿数避免过小，防止根切，标准渐开线齿轮最少齿数一般≥14，修正齿形可适当降低，但需校核齿根强度；
齿数配比考虑传动比、空间布局，同时规避共振、噪音频率。
2. 齿形与修正
主流采用渐开线齿形，加工 / 模具标准、啮合平稳，特殊场景可用摆线、圆弧齿；
建议做齿顶修缘、齿向修形，补偿塑料弹性形变、安装误差、温度膨胀，降低啮合冲击与噪音；
不建议采用全尖角、窄齿根过渡，塑料强度低，尖角易应力集中断裂。
3. 中心距与侧隙
中心距需同时考虑塑料收缩、热膨胀、吸湿膨胀、弹性形变四大变量，不能按理论几何值直接定；
侧隙设计：比金属齿轮适当放大，补偿温度 / 湿度导致的尺寸变化，防止热胀卡齿；但侧隙过大会造成回程空程、传动抖动、噪音增大，需平衡精度与工况。
三、精度、公差与尺寸稳定性
塑料受成型收缩、翘曲、后处理、环境影响，精度天然弱于金属，公差设计核心是适配成型能力，不盲目追求高精密：
公差等级：常规注塑齿轮精度多为GB/T 10095.1 的 8~12 级，精密注塑 + 模具精加工可达 6~7 级，超精密需磨齿 / 二次精加工；
关键公差项：齿距累积偏差、齿形偏差、齿向偏差、径向跳动、端面跳动、内孔 / 轴径配合公差；
收缩率补偿：按材料实测收缩率（POM 约 1.5%~3%，PA66 约 1%~2%）做模具型腔尺寸放大，结晶塑料需区分流动 / 垂直方向收缩差异；
后处理控制：退火处理消除内应力、降低翘曲，调湿处理稳定 PA 类材料尺寸。
四、结构设计与注塑成型适配
齿轮结构必须服从注塑模具可成型、无缩痕、无翘曲、易脱模、无应力集中原则：
1. 整体结构
避免厚壁突变，厚壁会产生缩痕、气孔、收缩不均，齿根与轮毂连接处做圆角过渡，降低应力集中；
空心结构、辐条结构替代实心轮盘，减轻重量、减少收缩与翘曲，同时降低材料成本；
轮毂、轴孔、定位挡边一体化设计，减少装配误差，轴孔可设计防滑键槽、D 形孔、止转筋。
2. 脱模与模具适配
齿形方向尽量设计为直线脱模，避免侧抽芯、斜顶，降低模具成本与成型误差；
齿轮端面、内孔设置合理脱模斜度，防止脱模拉伤齿面；
浇口位置优选轮毂中心（点浇口），避免浇口直接开在齿部，防止齿面缺陷、应力集中。
3. 组合结构
低载荷：全塑齿轮；
中高载荷：包塑齿轮（金属芯 + 塑料齿），兼顾金属的刚性、尺寸稳定和塑料的自润滑、低噪音；
多联齿轮：一体注塑成型，减少同轴度误差，注意各段壁厚均衡。
五、强度、疲劳与受力校核
塑料齿轮不能只按静强度计算，蠕变、疲劳、弹性形变是失效主因：
校核项目
齿根弯曲强度：抵抗断齿，塑料齿根强度低，圆角必须足够大；
齿面接触强度：抵抗齿面压溃、点蚀、磨损，塑料接触刚度低，接触应力需严格限制；
蠕变强度：长期恒定载荷下，齿轮是否发生永久变形，导致侧隙、中心距失效；
扭转疲劳强度：交变载荷下的寿命，家电、汽车传动多为交变工况，需做疲劳测试。
简化原则
纯塑料齿轮不用于大扭矩、高转速、长期连续工况；
计算时引入材料温度修正系数、蠕变修正系数、精度修正系数，不能直接套用金属齿轮公式。
六、摩擦、润滑与噪音
塑料齿轮核心优势是低噪音、可无油润滑，设计需放大优势、规避缺陷：
润滑方案
自润滑材料（POM、加 PTFE 改性）：可干运转，适合家电、精密仪器、不能加油的场景；
润滑脂 / 油：选用适配塑料的润滑剂，避免矿物油、部分溶剂腐蚀、溶胀塑料，降低磨损、提升寿命、降低噪音；
禁止使用会降解、腐蚀塑料的润滑介质。
噪音控制
齿形修形、合理侧隙、提高同轴度，减少啮合冲击；
选用高阻尼塑料，吸收振动；
降低传动转速、优化啮合重合度，避免共振频率。
七、使用环境适配
环境会大幅改变塑料性能，设计需预留安全余量：
温度：高温降低强度、加剧蠕变与膨胀，低温降低韧性、易脆断，工作温度必须在材料 HDT 以内；
湿度：PA 类尼龙吸潮后尺寸膨胀、强度下降，需做尺寸补偿或改用吸湿小的材料（POM）；
介质：油污、化学溶剂、水、紫外线（户外）会造成塑料溶胀、降解、老化、脆化，选用耐候 / 耐介质牌号（如玻纤 PBT、抗 UV 改性）；
交变环境：温度 / 湿度循环会导致尺寸反复变化，加速疲劳失效。
八、装配、传动匹配与系统兼容
齿轮不是独立零件，需和轴、轴承、配对齿轮、壳体匹配：
配合设计：轴孔与传动轴选用过渡 / 小间隙配合，过盈配合易导致内应力、齿轮开裂；
同轴度与垂直度：装配误差会造成偏载、齿面磨损不均、噪音增大、寿命骤降，壳体定位孔、轴承位精度需匹配齿轮精度；
配对件材质：塑 - 塑配对（噪音最低、磨损均衡）、塑 - 钢配对（钢轮耐磨，塑轮易磨损，需控制钢轮表面粗糙度）；
转速与功率：塑料齿轮适合低转速、中低功率传动，高转速易产生离心形变、发热、磨损加剧。
九、成本、量产与可靠性验证
成本维度：材料单价（PEEK>>POM>PA>PP）、模具成本（结构简单、无侧抽芯成本低）、成型效率（无后处理、良品率高）；
量产性：结构适合大批量注塑，无复杂后加工，尺寸一致性可控；
验证测试：必须做台架测试，包括寿命测试、温升测试、高低温循环测试、湿度老化测试、噪音测试、过载破坏测试，验证理论设计与实际工况一致性。