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玩具由于其負載耗能不大，加上成本方面的考慮，其內部減速器的齒輪大都采用塑料齒輪。塑料齒輪相比于金屬齒輪，其力學性能以及承載能力均低于后者，且彈性模量較小，輪齒的彎曲強度和尺寸精度較低，因此塑料齒輪大都用作中小傳遞功率的傳動齒輪。另外采用塑料齒輪代替金屬齒輪還是滿足低噪聲運行要求的一個重要途徑。正因為如此，玩具內部的齒輪大都采用了小模數(shù)(模數(shù)m≤2 mm)塑料齒輪。
在如今的兒童玩具開發(fā)設計過程中，設計人員對于玩具內部小模數(shù)塑料齒輪的設計還是沿用了金屬齒輪的設計方法，這樣就會造成玩具齒輪輪齒經常折斷。針對這個問題，玩具企業(yè)一般的做法就是反復修改齒輪參數(shù)、反復試裝，直至上述問題得到解決。這樣就極大地浪費企業(yè)的人力、物力、財力，且大大延長了產品的開發(fā)周期。目前各類教科書中的齒輪設計都指的是金屬齒輪，并不完全適用于玩具小模數(shù)塑料齒輪。因此，本文參考金屬齒輪的設計方法，并結合玩具小模數(shù)塑料齒輪的特點(考慮到模塑齒輪收縮率對齒輪型腔設計的影響)，探討了一種對玩具小模數(shù)塑料齒輪幾何尺寸進行精確設計的新方法，同時利用Pro/E軟件建立了齒輪的參數(shù)化設計模型，并運用ANSYS Workbench軟件對參數(shù)相同、設計方法不同的齒輪在相同載荷條件下的應力和變形進行實例有限元分析和驗證。
對某玩具企業(yè)塑料齒輪失效形式的分析結果表明，小模數(shù)塑料齒輪的主要失效形式為齒輪輪齒折斷。引起齒輪輪齒折斷的因素比較復雜，其中未考慮齒輪材料的收縮率或收縮程度估計不足是最主要的原因。齒輪成型時未考慮材料收縮率或收縮程度估計不足，均會造成齒輪齒廓變形(非漸開線型)，導致輪齒不能正常進入嚙合狀態(tài)而引起斷齒。
目前玩具小模數(shù)塑料齒輪大都采用傳統(tǒng)設計方法，這樣設計制造出來的齒輪在工作一段時間后會使塑料齒輪齒厚變薄、強度降低，直至齒輪斷裂。
本文研究對象為如圖所示的小模數(shù)塑料齒輪，該齒輪材料為聚甲醛樹脂POM F3003，其收縮率(δ)為2%。在對收縮后的小模數(shù)塑料齒輪進行ANSYS有限元分析之前，應在Pro/E中對該齒輪進行三維建模，再編制應用程序以實現(xiàn)齒輪的參數(shù)化設計：
(1)創(chuàng)建分度圓、基圓、齒頂圓及齒根圓曲線，并添加齒輪參數(shù)(如模數(shù)、分度圓直徑、基圓直徑、分度圓齒距、基圓齒距、分度圓弧齒厚等)和關系式。本文所選用收縮后的齒輪基本參數(shù)(x')如表所示。將標準齒輪視作一個假想外齒輪，這樣可以使收縮齒輪參數(shù)x'與標準齒輪參數(shù)(x)一一直接對應，二者的關系式如式所示。
(2)輪齒的漸開線曲線的創(chuàng)建。利用記事本添加圓柱漸開線的坐標方程，創(chuàng)建齒輪的實體并生成三維實體模型。創(chuàng)建完成后的齒輪模型即為參數(shù)化模型。
(3)將創(chuàng)建的齒輪模型保存為x_t格式，為隨后的ANSYS Workbench有限元分析做準備。
進入Engineer data，在General Material中新建材料，定義其名稱為POM F3003。設置材料常數(shù)E=2600 MPa，泊松比L=0.45，密度ρ=1.42 g/cm3。考慮到玩具小模數(shù)塑料齒輪齒形的復雜程度、精度要求及計算時間等實際因素，在Mesh菜單下選擇Method進行網格劃分，采用四面體Tetrahedrons控制，另外對需要進行求解分析的區(qū)域用Reelement加密網格。
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