專利名稱：組合齒輪的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及齒輪。更具體地講，本發(fā)明涉及由諸如熱塑性聚合物的熱塑性材料制 成的組合齒輪。發(fā)明背景
由諸如金屬或金屬合金的剛性材料制成的齒輪為人們所熟知并用于許多應用。此 類齒輪可經(jīng)受高的扭轉負荷力，但是具有顯著缺陷，即，它們在與其它金屬齒輪嚙合時會產 生大量噪音。由熱塑性材料制成的齒輪也為人們所知并且已用于降低由金屬齒輪產生的噪音。 然而，熱塑性齒輪具有顯著缺點，原因是它們不能經(jīng)受高的扭轉負荷力而不損害其齒輪齒， 并且比金屬齒輪更易于磨損。為了解決金屬齒輪與熱塑性齒輪的相應問題，已進行了若干種嘗試來制造組合齒 輪(參見 U. S. 3，719，103、U. S. 4，143，973、U. S. 5，722，295、U. S. 5，852，951)。作為一個新 進展，W02007/050397公開了一種改善的組合齒輪，其包括芯和齒，其中所述芯包括第一材 料。所述齒包括所述芯的第一材料以及作為表皮模塑到其上的第二材料，所述第二材料賦 予齒輪所需性能，例如潤滑性或耐磨性。發(fā)明概述已設計本發(fā)明的齒輪構造以提供具有優(yōu)異強度的改善齒輪。更具體地講，本發(fā)明 在覆蓋齒輪齒的表皮上具有改善的形狀。在一個實施方案中，本發(fā)明的齒輪包括具有芯和齒的齒輪，其中所述芯包括第一 材料，所述齒包括所述芯的第一材料，以及作為表皮模塑到其上的第二材料，其中所述表皮 在齒根處的厚度大于所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度。優(yōu)選地，所述表皮在齒根處的厚度為 所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度的1. 5至10倍。并且優(yōu)選地，所述芯包括增強樹脂，并且所 述表皮包括未增強樹脂。在本發(fā)明的另一個實施方案中，用于制造齒輪的方法包括以下步驟I.由第一材料模塑芯，所述芯具有齒，II.使所述第一材料固化，III.將由第二材料制成的表皮模塑在所述齒之上，以便所述表皮在齒根處的厚度 可大于所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度。優(yōu)選地，所述表皮在齒根處的厚度為所述表皮在齒 的節(jié)線處的厚度的1. 5至10倍。并且優(yōu)選地，所述芯包括增強樹脂，并且所述表皮包括未 增強樹脂。常規(guī)來講，齒輪齒涂覆的表皮的厚度是相等的。本發(fā)明的齒輪在齒根處具有相對 較厚的表皮。該特性帶來以下技術效應。當比第一材料具有更高伸長率的第二材料較充足地存在于齒根處時，它使齒根經(jīng) 受住更大的應變。齒根從表皮開始屈服，隨后逐漸向深處擴散。因此，較薄的表皮比較厚的 表皮情況導致更早的破壞。附圖簡述


圖1示出了本發(fā)明齒輪的一個實施方案的示意圖。圖2示出了闡明本發(fā)明技術效應的示意圖。圖3示出了本發(fā)明齒輪的另一個實施方案的示意圖。發(fā)明詳述齒輪超載時通常在齒根處斷裂。用于強度的設計計算決定該處的應力。最常用公式為路易斯公式，其中應力等于切向力除以模數(shù)、外形因數(shù)及齒寬。由該公式可清楚地了 解，除了材料性能之外，可決定強度的單獨設計參數(shù)為模數(shù)和齒寬。齒根處的半徑對于控制 該處的應力集中非常重要也是熟知的事實。然而，半徑絕對不可侵蝕用于嚙合的齒形區(qū)域 也是事實。因此，這通常為關于改善給定齒形強度的討論目標。至于齒輪的材料選擇，可選擇具有大量增強部分的樹脂等級，然而該選擇可能會 由于以下原因而違背意圖其對應力集中的敏感性、使得其它齒不能分擔載荷的小的齒撓 曲、以及接觸表面處的差的潤滑性。因此，除了以上在整體分析中所討論的常見設計參數(shù)之 夕卜，齒輪強度或許只能通過控制撓曲、潤滑性(磨損性能)和接觸壓力而進一步最大化。主要用增強樹脂來制造齒輪(例如，其中芯用GR尼龍所制造中討論的情況)還可 有利于使得齒輪更具尺寸穩(wěn)定性，因為GR尼龍的熱膨脹和水分生成比未增強尼龍更小。概括地講，設計目標可如下。A)最小化應力集中。B)最大化其中應力必然集中的齒根處的可容許的應變。C)利用具有較大可容許應變的高強度材料。D)利用增強其性能極限的高強度材料；用增強樹脂模塑的常規(guī)齒形通常不能獲 得與材料特性成正比的性能。E)使用增強樹脂來用于芯與不使用增強樹脂的情況相比將導 致更優(yōu)的精度。本發(fā)明提供改善的齒輪，具體地講其中表皮層以某種方式形成的改善的齒輪，所 述方式使得所述表皮在齒根處的厚度大于所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度，從而最大化齒根 處的可容許應變。換句話講，本發(fā)明的構想基于上述B)。圖1示出了本發(fā)明齒輪的一個實施方案的示意圖。在該實施方案中，表皮層適形 于在其表面處通常為漸開線的標準齒形，同時其在內側結合到齒芯上。顯示為‘X’的表皮 (1)在齒(2)根部的厚度在徑向上比顯示為‘Y’的表皮(1)在齒輪節(jié)線處的厚度更深。在 圖中顯示為圓虛線的節(jié)線通常稱作參考直徑或節(jié)圓直徑。該線將齒形分為齒頂和齒根。當 齒輪嚙合時，將發(fā)生在齒形上的滑動，從而改變其在該線上的方向。因此，該處的厚度對于 齒輪的磨損性能具有其重要性。表皮在齒根處的厚度“X”定義為在齒輪徑向上表皮外表面與芯外表面之間的長 度。芯為由一個部件(參見圖1)或組合(參見圖3)構成圓形形狀的部件。如果如圖1所 示出的一個部件含有芯部件和齒部件，則芯為內部部件，伸出齒連接到其上。表皮在齒的節(jié)線處的厚度“Y”定義為在齒輪周向上表皮外表面與齒外表面之間的 長度。就該構型而言，芯的輪廓類似于細長或較高高度的齒輪本身，然而其可能會由于 其精度而不太需要，因為表皮將適形于精確的齒形而無論芯的幾何形狀如何。芯的齒高不 僅可被確定為表皮厚度所得，而且還可被確定為用表皮和芯材料的給定組合進行的計算結果。與整體短齒輪的情況不同，由于芯現(xiàn)在較細長，因此其強度由撓曲而非剪切決定。圖2示意性示出了由本發(fā)明造成的技術效應。該構想的雙層齒輪可設計用于齒而非根部的剖面部分處的撓曲應力，其中圍繞的厚表皮支撐所述根部。齒根處的厚表皮提供 對該處沖擊應力的緩沖，如較大質量變形超過小質量的情況。通過使諸如尼龍的高伸長率 材料用于表皮，而諸如玻璃增強塑料的硬材料用于芯部，最大齒輪強度可在芯部的撓曲應 力與表皮的剪切應力同時達到其強度時實現(xiàn)。表皮的最佳厚度可通過計算確定，其中齒根處的剪切應力與芯部的撓曲應力必須 達到每種應用材料的強度。圖3示出了本發(fā)明的另一個實施方案，其中分段齒輪齒通過粘合層(4)裝配在一 起。該構型使得能夠制造具有一些側向分型的組合齒輪如蝸輪。粘合層(4)由與表皮(1) 相同的組合物組成。因此，在形成齒輪時，粘合層(4)用作表皮。顯示為‘X’的表皮(1)在 齒(2)根部的厚度大于顯示為‘Y’的表皮(1)在齒(2)節(jié)線處的厚度。與前述設計(圖1)情況一樣，齒輪齒根處的厚表皮壁剖面意味著所述部分可更耐 該處的應力集中；因此該處的表皮可變形超過恒定的壁剖面幾何形狀的情況。所述表皮在齒根處的厚度優(yōu)選為所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度的1. 5至10倍，并 且更優(yōu)選為所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度的1. 5至10倍。取決于材料的彈性模量，齒根處 太厚的表皮層會弱化齒輪。齒的形狀不受限制。然而，與在齒根處不含厚表皮的齒輪相比，本發(fā)明齒輪的齒具 有較長或較細的齒內第一材料輪廓。如果制造具有相同表面輪廓的齒輪，則本發(fā)明的齒輪 由于齒根處的較厚表皮而具有較長且較細輪廓用于構成齒的第一材料。就嚙合時的恒定 切向力而言，受試齒輪將變形超過其中表皮或第二材料具有均勻厚度的情況。關于受試齒 輪，表皮與芯在齒輪根部處的拐角彼此并不非常接近；因此，易受應力集中影響的區(qū)域是相 似的。比表皮具有較小伸長率的芯部在表皮于深度上拉伸超過芯根部之前達不到其結構限 制。齒輪整體上運行良好，因為其在使用中并不僅僅由一種材料的強度決定。明顯的是由于表皮在齒根處相對于其它區(qū)域的合適厚度，第一材料與第二材料本 身的機械特性將決定最適宜的幾何平衡。依據(jù)迄今所述構想的具體的齒輪設計構型可通過 詳盡的結構計算確定，如依據(jù)有限元分析的那些。已知在一些情況下接觸的相異材料的摩擦磨損性能優(yōu)良，并且如果適當選擇第一 材料與第二材料，則本發(fā)明的齒輪幾何構型可易于提供該有益效果。第一材料和第二材料可包括賦予齒輪所需性能的任何熱塑性聚合物。在本 發(fā)明的一個實施方案中，第一材料將為賦予芯所需撓曲強度、剛度和抗沖擊性的剛 性聚合物，并且第二材料將為使用中賦予消聲性能的較軟聚合物。所述聚合物可為 相同物質，例如均為聚酰胺，或者可為不同物質，例如聚酰胺和聚酯?？捎糜趦煞N材 料中的聚合物組合的實例為聚酰胺+聚酯嵌段共聚物(Zytel -Hytrel )、聚酯
(Ryntie /Crastin -Rynite /Crastin )、聚縮醛 + 聚縮醛(Delrin -Delrin )、未
增強的或玻璃/礦物質增強的聚縮醛+聚酰胺(Delrin -Zytel /Minlon ),所有這些均 得自Du Pont Company(ffilmington,DE) O無需過度實驗，本領域的技術人員將能夠指定包 括所述兩種材料的恰當?shù)姆肿恿康燃墶?br> 可用于本發(fā)明產品中的聚合物不限于以上列舉的商業(yè)材料?？衫媚軌虮唤Y合的 聚合物的任何組合。對于可用于本發(fā)明產品制造中的熱塑性聚合物無具體限制。熱塑性聚 合物的實例包括芳族聚酯如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸 乙二醇酯和聚萘二甲酸丁二醇酯；聚烯烴如聚乙烯和聚丙烯；聚縮醛(均聚物和共聚物)； 聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、苯乙烯丁二烯丙烯酸(或其 酯)共聚物及丙烯腈苯乙烯共聚物；聚氯乙烯；聚酰胺；聚苯醚；聚苯硫醚；聚砜；聚醚砜； 聚酮；聚醚酮；聚酰亞胺；聚醚酰亞胺；聚苯并咪唑；聚丁二烯橡膠和丁基橡膠；有機硅樹 脂；氟樹脂；烯烴基熱塑性彈性體、苯乙烯基熱塑性彈性體、氨基甲酸酯基熱塑性彈性體、 聚酯基熱塑性彈性體、聚酰胺基熱塑性彈性體、以及聚醚基熱塑性彈性體；基于聚丙烯酸酯 的芯殼型多層接枝共聚物；以及它們的改性產物。這些熱塑性樹脂可以兩種或更多種物質 的組合使用。液晶聚酯(LCP)可用于本發(fā)明產品的制造中。LCP的實例為由以下單體制備的那 些，所述單體包括(i)萘化合物如2，6-萘二甲酸、2，6-萘二酚、1，4_ 萘二酚、以及6_羥基_2_萘甲 酸；(ii)聯(lián)苯化合物如4，4' _聯(lián)苯二甲酸和4，4-二羥基聯(lián)苯；(iii)對位取代苯化合物如對羥基苯甲酸、對苯二甲酸、對苯二酚、對氨基苯酚、對 苯二胺、以及它們的環(huán)上取代的苯化合物(環(huán)上取代基選自氯、溴、C1-C4烷基、苯基和1-苯 乙基)；以及(iv)間位取代苯化合物如間苯二甲酸和間苯二酚、以及它們的環(huán)上取代的苯化合 物(環(huán)上取代基選自氯、溴、C1-C4烷基、苯基和1-苯乙基)。在前述單體中，由選自萘化合物、聯(lián)苯化合物和對位取代苯化合物中的至少一個 或多個物質制備的液晶聚酯更優(yōu)選作為用于本發(fā)明制造中的液晶聚酯。在對位取代苯化合物中，對羥基苯甲酸、甲基氫醌和1-苯乙基氫醌是尤其優(yōu)選 的。除了前述單體之外，用于本發(fā)明中的液晶聚酯還可在其單分子鏈中包含不表現(xiàn)出 各向異性熔融相的聚亞烷基鄰苯二甲酸酯片段。在這種情況下，烷基具有2至4個碳原子?？商砑拥接糜诒景l(fā)明產品制造中的熱塑性聚合物的物質或添加劑包括但不限于 耐熱穩(wěn)定劑、紫外線吸收劑、脫模劑、抗靜電劑、增滑劑、抗粘連劑、潤滑劑、防霧劑、著色劑、 天然油、合成油、蠟、有機填料、無機填料、以及它們的混合物。前述耐熱穩(wěn)定劑的實例包括但不限于苯酚穩(wěn)定劑、有機硫醚穩(wěn)定劑、有機亞磷酸 酯穩(wěn)定劑、受阻胺穩(wěn)定劑、環(huán)氧化物穩(wěn)定劑以及它們的混合物。耐熱穩(wěn)定劑可以固體或液體 形式添加。紫外線吸收劑的實例包括但不限于水楊酸紫外線吸收劑、二苯甲酮紫外線吸收 齊U、苯并三唑紫外線吸收劑、氰基丙烯酸酯紫外線吸收劑、以及它們的混合物。脫模劑的實例包括但不限于天然及合成石蠟、聚乙烯蠟、碳氟化合物以及其它烴 類脫模劑；硬脂酸、羥基硬脂酸、其它高級脂肪酸、羥基脂肪酸及其它脂肪酸脫模劑；硬脂 酸酰胺、亞乙基雙硬脂酰胺、其它脂肪酸酰胺、亞烷基雙脂肪酸酰胺以及其它脂肪酸酰胺脫 模劑；硬脂醇、鯨蠟醇、其它脂肪醇、多元醇、聚乙二醇、聚甘油以及其它醇類脫模劑；硬脂酸丁酯、季戊四醇四硬脂酸酯、其它脂肪酸低級醇酯、脂肪酸多元醇酯、脂肪酸聚乙二醇酯以及其它脂肪酸酯脫模劑；硅油及其它硅酮脫模劑；以及前述任何一種的混合物。著色劑可為顏料或染料。無機著色劑和有機著色劑可單獨用于本發(fā)明或組合用于 本發(fā)明。第一材料與第二材料的結合可通過本領域的技術人員已知的任何方法來實現(xiàn)。在 本發(fā)明的一個實施方案中，結合可通過利用比第一材料具有較高熔化潛熱的聚合物作為第 二材料來實現(xiàn)。在制造齒輪的工藝中，將第二材料模塑到包括第一材料的芯上。不受機理 的約束，可能的是來自第二材料的冷卻和結晶的剩余焓使得第一材料薄層再熔融并隨后熔 合，從而使第一材料與第二材料在模塑壓力下結合。在本發(fā)明的另一個實施方案中，結合可 通過在第一材料與第二材料之間利用底膠層或粘合劑層來實現(xiàn)。例如，當要利用的第一材 料與第二材料為聚酰胺等級時，以產品名“Cling-Aid”得自Yamasei Kogyo Co. ,Ltd.的用 于聚酰胺樹脂的異丙醇基粘合劑為此類底膠的一個實例。“Cling-Aid”包括沒食子酸(CAS 號149-91-7)在異丙醇中的溶液。模塑在第一材料之上的第二材料需要足夠薄以便不損耗經(jīng)過芯和表皮的復合斷 面模量。如果過厚，則模量會受到顯著影響，因為與芯相比，斷面的最外層對于模量計算的 影響更大。表皮的所需厚度依據(jù)其潤滑性/耐磨性貢獻為0. 2至0. 5，這取決于齒輪模數(shù) 模數(shù)越大，則表皮可越厚，而不會改變由于用于表皮的材料比用于芯的更軟而導致的必然 模量損耗，然而只要能使得材料流動，厚度應保持最小。使得齒輪齒根處的表皮厚并不意味著較大的模量損耗，因為厚度只在徑向上改 變?？赡軙?，不平的壁厚(節(jié)線處較薄而根部較厚)會導致不連續(xù)的塑性流以及由此 造成的在薄層處形成的焊接線問題。然而，這可通過適當定位入口(塑料通過該入口來填 充)和出口(通過塑性流的壓縮氣體從該出口釋放)來克服。此外，由于齒輪的齒尖不會 受到過多的應力，因此在該區(qū)域可能形成的焊接線將不成問題。因此，非比例芯造成的厚薄 及最終部件的幾何形狀將不會破壞本發(fā)明的構想。芯的第一材料與表皮的第二材料之間結合的拉伸強度應大于20Mpa，如通過垂直 于結合平面的拉伸測量所測量的。優(yōu)選地，拉伸強度應大于50Mpa，并且最優(yōu)選大于80Mpa。本發(fā)明還涉及一種用于制造組合齒輪的方法，所述組合齒輪包括熱塑性聚合物。 在本發(fā)明的一個實施方案中，所述方法包括以下步驟由第一材料來模塑芯，所述芯具有齒，使所述第一材料固化，將由第二材料制成的表皮模塑在所述齒之上，以便所述表皮在齒根處的厚度可大 于所述皮在齒的節(jié)線處的厚度。在II與III之間，可任選地插入在模塑表皮步驟之前向芯部施加底膠的步驟。底 膠可以本領域的技術人員已知的任何方法施加。例如，借助刷子手工涂覆。由第一材料模塑芯可通過本領域的技術人員已知的任何模塑方法實現(xiàn)。例如， 注塑成形機為人們所熟知，并且由諸如Toshiba、Sumitomo、Nissei、Fanuc, Battenfeld、 Engels的制造商生產。在注塑方法中，將熔融聚合物加壓注入到所需形狀和尺寸的模具中。 將模具冷卻并頂出最終部件。就本發(fā)明的方法而言，所述頂出部件(如果必要的話在修剪 之后)被用作用于第二材料的二次注射的芯。所述芯需要穩(wěn)固地保持在模具中，以便由二次注射的聚合物施加的壓力不會使芯變形或移位，所述變形或移位隨后造成齒輪的尺寸不準。芯在模具中的移動通常稱作“偏芯”，其在壓力不平衡變大時尤其顯著。為了最小化這 種不平衡，應確定第二材料的流道，以便芯所有側面上的壓力在任何給定的填充時間均可 相互抵消。例如，當芯正面的熔體前沿推進與背面相等時，可假定經(jīng)過芯上熔體的壓力處于 平衡狀態(tài)。在芯上形成表皮的第二材料不可避免地由一側，即腔體側，來填充。因此，如果 未給出具體考慮，則芯將向著芯側變形，因為熔體在腔體側比在芯側蔓延更快。在本發(fā)明的 一個實施方案中，任選地在芯上提供穿孔，這意味著提供連接芯兩側的流道，從而平衡芯上 的壓力。
權利要求
包括芯和齒的齒輪，其中所述芯包括第一材料，所述齒包括所述芯的第一材料以及作為表皮模塑到其上的第二材料，其中所述表皮在齒根處的厚度大于所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度。
2.權利要求1的齒輪，其中所述表皮在齒根處的厚度為所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度 的1. 5至10倍。
3.權利要求1的齒輪，其中，所述芯包括增強樹脂，并且所述表皮包括未增強樹脂。
4.用于制造齒輪的方法，所述方法包括以下步驟I.由第一材料模塑芯，所述芯具有齒，II.使所述第一材料固化，III.將由第二材料制成的表皮模塑在所述齒之上，以便所述表皮在齒根處的厚度可大 于所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度。
5.權利要求4的方法，其中，所述表皮在齒根處的厚度為所述表皮在齒的節(jié)線處的厚 度的1. 5至10倍。
6.權利要求4的方法，其中，所述芯包括增強樹脂，并且所述表皮包括未增強樹脂。
全文摘要
本發(fā)明的齒輪包括芯和齒(2)，其中所述芯包括第一材料，所述齒包括所述芯的第一材料以及作為表皮(1)模塑到其上的第二材料，其中所述表皮在齒根處的厚度(X)大于所述表皮在齒的節(jié)線處的厚度(Y)。
文檔編號F16H55/06GK101802457SQ200880107354
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權日2007年9月12日
發(fā)明者K·厄穆拉, K·托莫達, T·肯莫基, Y·施馬扎基 申請人:納幕爾杜邦公司