玩具由于其负载耗能不大，加上成本方面的考虑，其内部减速器的齿轮大都采用塑料齿轮。塑料齿轮相比于金属齿轮，其力学性能以及承载能力均低于后者，且弹性模量较小，轮齿的弯曲强度和尺寸精度较低，因此塑料齿轮大都用作中小传递功率的传动齿轮。另外采用塑料齿轮代替金属齿轮还是满足低噪声运行要求的一个重要途径。正因为如此，玩具内部的齿轮大都采用了小模数(模数m≤2 mm)塑料齿轮。
      在如今的儿童玩具开发设计过程中，设计人员对于玩具内部小模数塑料齿轮的设计还是沿用了金属齿轮的设计方法，这样就会造成玩具齿轮轮齿经常折断。针对这个问题，玩具企业一般的做法就是反复修改齿轮参数、反复试装，直至上述问题得到解决。这样就极大地浪费企业的人力、物力、财力，且大大延长了产品的开发周期。目前各类教科书中的齿轮设计都指的是金属齿轮，并不完全适用于玩具小模数塑料齿轮。因此，本文参考金属齿轮的设计方法，并结合玩具小模数塑料齿轮的特点(考虑到模塑齿轮收缩率对齿轮型腔设计的影响)，探讨了一种对玩具小模数塑料齿轮几何尺寸进行精确设计的新方法，同时利用Pro/E软件建立了齿轮的参数化设计模型，并运用ANSYS Workbench软件对参数相同、设计方法不同的齿轮在相同载荷条件下的应力和变形进行实例有限元分析和验证。
      对某玩具企业塑料齿轮失效形式的分析结果表明，小模数塑料齿轮的主要失效形式为齿轮轮齿折断。引起齿轮轮齿折断的因素比较复杂，其中未考虑齿轮材料的收缩率或收缩程度估计不足是最主要的原因。齿轮成型时未考虑材料收缩率或收缩程度估计不足，均会造成齿轮齿廓变形(非渐开线型)，导致轮齿不能正常进入啮合状态而引起断齿。
      目前玩具小模数塑料齿轮大都采用传统设计方法，这样设计制造出来的齿轮在工作一段时间后会使塑料齿轮齿厚变薄、强度降低，直至齿轮断裂。
      本文研究对象为如图所示的小模数塑料齿轮，该齿轮材料为聚甲醛树脂POM F3003，其收缩率(δ)为2%。在对收缩后的小模数塑料齿轮进行ANSYS有限元分析之前，应在Pro/E中对该齿轮进行三维建模，再编制应用程序以实现齿轮的参数化设计：
      (1)创建分度圆、基圆、齿顶圆及齿根圆曲线，并添加齿轮参数(如模数、分度圆直径、基圆直径、分度圆齿距、基圆齿距、分度圆弧齿厚等)和关系式。本文所选用收缩后的齿轮基本参数(x')如表所示。将标准齿轮视作一个假想外齿轮，这样可以使收缩齿轮参数x'与标准齿轮参数(x)一一直接对应，二者的关系式如式所示。  
      (2)轮齿的渐开线曲线的创建。利用记事本添加圆柱渐开线的坐标方程，创建齿轮的实体并生成三维实体模型。创建完成后的齿轮模型即为参数化模型。
      (3)将创建的齿轮模型保存为x_t格式，为随后的ANSYS Workbench有限元分析做准备。
      进入Engineer data，在General Material中新建材料，定义其名称为POM F3003。设置材料常数E=2600 MPa，泊松比L=0.45，密度ρ=1.42 g/cm3。考虑到玩具小模数塑料齿轮齿形的复杂程度、精度要求及计算时间等实际因素，在Mesh菜单下选择Method进行网格划分，采用四面体Tetrahedrons控制，另外对需要进行求解分析的区域用Reelement加密网格。

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