CN101205967A - 树脂齿轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种树脂齿轮(1)，包括由树脂材料构成并包含齿部(31)的齿轮外周部(3)，在其内周侧具有环形或圆盘形齿轮内周部件(2)。其中，包括齿部的齿轮外周部(3)包括由高弹性率且高强度的树脂材料构成的内芯部(4)以及覆盖该内芯部由低弹性的树脂材料构成的表层部(5)。内芯部(4)被外嵌齿轮内周部件(2)上以能够绕齿轮旋转轴转动。在表层部(5)与齿轮内周部件(2)的接合部分设有咬合部(24、54)以阻止绕齿轮旋转轴的相对转动。由此具有低振动、低噪音等树脂齿轮原有的特性，还具有高疲劳强度、高耐磨损性、高耐热性、高耐冲击性和对啮合方的齿轮的冲击性低等特性，可用于高负荷用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括由金属等形成的嵌入物和树脂部的树脂齿轮。
背景技术
钢制齿轮，由于传达误差造成的啮合声和由于齿隙造成的撞齿声等原因，存在振动和噪音的问题。与此相对，用树脂形成齿轮的齿部的树脂齿轮，由于树脂有粘弹性的性能，即具有高衰减性和低刚性的物理性质，从而能够构成低振动、低噪音的齿轮。而且，由于树脂齿轮具有重量轻、只通过注射成形就能够形成齿部而无需进行切齿加工因而低成本等优点，因此正在取代钢制齿轮广泛地使用在OA(办公室自动化)机器和声频制品等中。但是，受到带来低振动和低噪音的上述物理性质的限制，基本上只在轻负荷、低转速并且常温附近使用。
作为树脂齿轮比现状更进一步的用途，如果能够实现向例如四轮车或者两轮车的配重驱动齿轮或凸轮轴定时齿轮这种所谓发动机内从动齿轮的应用，则对降低噪音是极为有效的。但是，如果将树脂齿轮应用到发动机内从动齿轮，则在高负荷、高旋转且高温下的使用是理所当然的，除了需要考虑受到的冲击性负荷以外还必须考虑与发动机油的接触。而且，由于与钢制齿轮组合起来使用，因此需要有与现有用途更高的疲劳强度、高耐磨损性、高耐热性和高耐冲击性，此外还要求有高耐油性、高耐汽油性以及对啮合方的钢制齿轮的低冲击性等特性。
作为提高树脂齿轮机械强度的方法，例如，在JP8-156124A、JP8-174689A中提出了一种树脂齿轮，将圆筒状的芳族聚酰胺纤维的织布配置在金属嵌入物的周围，在该织布上浸渍酚醛树脂等热固性树脂材料来形成树脂部从而制成圆盘状的树脂成形品(齿轮毛坯)，然后，对该树脂部进行切齿加工从而形成齿轮形状。但是，这种树脂齿轮在制成齿轮毛坯后，必需对树脂部进行切齿加工，存在由加工工时的增加所造成的高成本的问题。而且，还存在以下问题，即作为热固性树脂材料的特性，其耐冲击性低而且由于需要热处理使得制造周期变长。
另一方面，人们也在尝试不经过齿轮毛坯的形式而只通过注射成形形成齿轮的齿且不进行切齿加工来制作齿轮。例如，在JP55-41273A中公开了一种使用了热塑性树脂材料的树脂齿轮，而且，在JP-2-8542A、JP2005-214338A中公开了一种树脂齿轮，其中树脂部为表层齿和内层齿的双层构造，在表层齿中使用含有或者不含微量的强化纤维的热塑性树脂材料、在内层齿中使用玻璃纤维等强化纤维含有量高的热塑性树脂材料。这些树脂齿轮旨在改善疲劳强度和耐磨损性以及减少对啮合方的钢制齿轮造成的冲击性，但是对于耐磨损性却没有实现充分的改善。
对于以上课题，例如在JP2000-145928A、JP2004-150518A中提出了一种在齿轮本体部增加弹性体的方法。但是，这些公开的方法，存在由于零部件的个数以及制作工时的增加所造成的成本高的问题。此外，在JP2001-2008166A、JP2002-156025A中公开了一种形成齿轮齿的树脂部和金属嵌入物的结合结构，但全都是树脂部全体相对于金属嵌入物固定的结构，而没有考虑耐冲击性的改善。
发明内容
本发明是鉴于这样的现状而提出的，其目的在于提供一种树脂齿轮，其具有低振动、低噪音等树脂齿轮原有的特性，还具有高疲劳强度、高耐磨损性、高耐热性、高耐冲击性和对啮合方的齿轮的冲击性低等特性，可用于四轮车及二轮车的发动机内从动齿轮那样的高负荷用途。
为解决上述课题，本发明提供一种树脂齿轮，包括由树脂材料构成并包括齿部的齿轮外周部，在其内周侧具有环形或圆盘形的齿轮内周部件，其中，包括上述齿部的齿轮外周部包括：由高弹性率且高强度的树脂材料构成的内芯部；以及覆盖上述内芯部由低弹性率的树脂材料构成的表层部，上述内芯部被外嵌到上述齿轮内周部件上以能够绕齿轮旋转轴转动，在上述表层部与上述齿轮内周部件的接合部分设置有咬合部以阻止绕齿轮旋转轴的相对转动。
在本发明的第二方式中，上述齿轮内周部件具有齿轮旋转轴方向中央的大径部、和大径部两侧的小径部，上述内芯部外嵌到上述大径部，上述表层部的两侧面部越过上述内芯部和上述大径部的嵌合部与上述大径部的两侧面重合并与上述小径部接合，上述咬合部设置在该接合部分。
此外，在本发明的第三方式中，上述内芯部与上述齿轮内周部件的嵌合部由在它们圆周方向延伸的至少一组沟槽和突条构成。
另外，在本发明的第四方式中，上述齿轮内周部件在沿上述大径部两侧面的上述小径部的部分形成有周向延伸的凹部，上述表层部的上述接合部分向齿轮旋转轴方向中央侧扩宽。
此外，在本发明的优选方式中，上述齿轮内周部件由金属或者陶瓷材料构成，将上述齿轮内周部件作为嵌入材料在其周围通过嵌入注射成形来形成上述内芯部，并且将该齿轮内周部件及内芯部作为嵌入材料在其周围通过嵌入注射成形来形成上述表层部。
由于本发明涉及的树脂齿轮如上所述构成，因此通过由低弹性率的树脂材料形成的表层部，可以吸收因转矩变动产生的振动和冲击以及减低因齿隙产生的撞齿声，而且通过由高弹性率/高强度的树脂材料形成的内芯部，可以实现齿根强度的提高。
特别是，由于啮合使齿轮齿部作用有负荷时，虽然表层部和齿轮内周部件之间不发生相对变位，但由于内芯部在旋转方向上不受拘束，使得与内芯部之间能够相对变位，由此，作用于啮合的齿部的负荷通过高弹性率/高强度的内齿部传达给没有参加啮合的其他所有的齿部，从而分散到由低弹性率的树脂材料形成的整个表层部，通过表层部的外周侧(齿部)和内周侧(与齿轮内周部件的接合部分、咬合部)之间的粘弹性的行为，实现了振动的衰减和冲击的吸收，而且能够实现低振动/低噪音、高疲劳强度、高耐冲击性和高耐磨损性。
此外，在不依赖材料自身的物理特性的情况下，通过表层部、内芯部、齿轮内周部件的结构就能够达成上述的特性，由此，表层部中不必含有强化纤维等增强材料，就能够保持对啮合方齿轮的低冲击性，由于材料选择的自由度高，从而树脂齿轮的广泛用途可以预见。
在本发明的第二方式涉及的树脂齿轮中，表层部的两侧面部遍及径向的广泛范围配置在齿轮内周部件的侧面，确保了表层部的弹性变形量大，从而能够吸收更大的振动和冲击。
而且，在本发明的第三方式涉及的树脂齿轮中，由于上述内芯部与上述齿轮内周部件的嵌合部由在它们圆周方向延伸的至少一组沟槽和突条构成，所以可以防止因高强度的这些部位而产生的表层部轴向的变形和齿轮旋转面的倾倒，而不会妨碍齿轮内周部件和内芯部绕齿轮旋转轴的相对变位。
此外，在本发明的第四方式涉及的树脂齿轮中，能够确保表层部与齿轮内周部件接合部分的宽度(厚度)大，而无需增加齿轮厚度，在有限的齿轮设置空间内，可以增大咬合部的强度，而且表层部可以更牢固地与齿轮内周部件形成一体，能够可靠地吸收振动和冲击。
在本发明涉及的树脂齿轮中，上述齿轮内周部件由金属或者陶瓷材料构成，将该齿轮内周部件作为嵌入材料在其周围通过嵌入注射成形来形成上述内芯部，而且将该齿轮内周部件及内芯部作为嵌入材料在其周围通过嵌入注射成形来形成上述表层部，由此，由于树脂部由尼龙等工程塑料形成，并且仅通过注射成形就可以形成齿部而无需切齿加工，因此，能够高质量、低成本地实现具有低振动、低噪音等树脂齿轮的本来特性、而且具有高疲劳强度、高耐磨损性、高耐热性、高耐冲击性以及对啮合方钢制齿轮的低冲击性等特性的树脂齿轮。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的树脂齿轮的侧视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是表示本发明实施方式的树脂齿轮的立体图。
图4是表示金属嵌入物的一部分切除后的立体图。
图5是表示内芯部的一部分切除后的立体图。
图6是表示表层部的一部分切除后的立体图。
图7是表示本发明实施例与对比例子的树脂齿轮的传输转矩-挠度曲线图。
图8是表示在内燃机的平衡装置中实施本发明涉及的树脂齿轮的实施方式的概要侧视图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示将本发明作为正齿轮实施的实施方式的树脂齿轮1的侧视图，图2是其A-A剖视图，图3是立体图。在图中，树脂齿轮1由金属嵌入物2(齿轮内周部件)及包含其外周侧的齿部31的树脂部3构成。树脂部3包括由高弹性率且高强度的树脂材料形成的内芯部4、和由覆盖该内芯部4的低弹性率的树脂材料形成的表层部5。
如图2和图4所示，金属嵌入物2为中央贯通有轴孔20的圆盘状或者环状，外周部由轴向中央的大径部22及其两侧的小径部21、21构成。大径部22的周面是内芯部4外嵌的部分，遍及整周形成有呈相同剖面形状延伸的沟槽23。另一方面，小径部21、21的周面是表层部5接合的部分，分别在周向上以预定的节距(ピツチ)形成有锁槽24(咬合部)。在图示的例子中，锁槽24形成为圆槽，在周向上以等节距设置在单侧的12个位置。
此外，在沿着大径部22两侧面的小径部21、21的部分，分别形成有周向延伸的凹部25、25，因而与外周部相比厚度小，各小径部21、21的周面向齿轮旋转轴方向中央侧变宽。此外，锁槽24的最深部形成有比上述凹部25更凹嵌的浅圆形的凹陷部。即，锁槽24从小径部21的周面向大径部22的侧面形成。
如图2和图5所示，内芯部4包括与树脂齿轮1的各齿部31对应的内齿部41和在周向结合各内齿部41的环状部42。在该环状部42的内周面形成有与金属嵌入物大径部22的沟槽23结合的突条43。因此内芯部4在外嵌到金属嵌入物2的大径部22的状态下，只允许相对于金属嵌入物2向周向作相对转动。
如图2和图6所示，表层部5与树脂齿轮1的各齿部31相对应且包括：覆盖内芯部4的各内齿部41的表齿部51、和覆盖从各内齿部41的侧面到金属嵌入物大径部22的侧面部分的两侧面部52、52，两侧面部52、52通过表齿部51结合成一体。两侧面部52、52的内周缘53、53与金属嵌入物小径部21、21接合，在与金属嵌入物小径部21、21的各锁槽24对应的缘部，形成有与各锁槽24咬合的突起部54、54(咬合部)。此外，与沿金属嵌入物小径部21、21的凹部25、25相对应，两侧面部52、52的内周缘53、53比其它部位厚度大，相应地各突起部54、54的厚度也大，保证了作为咬合部的强度。
在制造上述构成的树脂齿轮1时，首先在成形内芯部4的模具内插入金属嵌入物2的状态下进行注射成形，形成金属嵌入物2与内芯部4的合成体。接着，在将上述合成体(2、4)插入到成形表层部5的模具内的状态下进行注射成形，形成覆盖内芯部4和金属嵌入物2的外周部的表层部5。
用于金属嵌入物2的金属材料虽然没有特别限制，但优选例如铁、铝、铜及其合金等，而且也可以使用具有与金属同等刚性的烧结材料等。此外，作为用于上述树脂部3的树脂材料，虽然属于所谓工程塑料的PA(聚酰胺)、PPS(聚亚苯基硫醚)、PES(聚醚砜)、POM(聚缩醛)等热塑性树脂材料是合适的，但如上所述，优选地在内芯部4中使用具有高弹性率且高强度的树脂材料、在表层部5中使用相对低弹性率的树脂材料。
在作为发动机部件已经使用的尼龙系树脂材料中，对于内芯部4，通过在PA6、PA66、PA46、PA6T、PA6·6T、PA9T等中包含玻璃纤维、碳纤维等强化纤维以提高刚性、且成形收缩率小的树脂材料是适合的。此外，作为增强材料可以使用无机材料，也可以包含通过电子束照射形成的交联成分作为特殊成分。例如，优选地采用以PA6T相当的树脂为基础、其中含40wt％的碳纤维作为强化纤维、刚性及强度高、成形收缩率为1/1000以下的热塑性树脂材料。
另一方面，适合于表层部5的是PA6、PA66、PA46、PA6T、PA6·6T、PA9T等、不混入强化材料的自然材料，在此情况下，也可以微量含有对啮合方的钢制齿轮无冲击性的芳族聚酰胺纤维、碳纤维等强化纤维。此外，作为特殊成分，也可以包含通过电子束照射形成的交联成分。而且，也可以根据树脂齿轮的用途使用弹性体。
在内芯部4注射成形时，在将金属嵌入物2插入模具内的状态下，如图2或者图1所示，通过设置在环状部42侧面的一点针形浇口40向模具腔内注入树脂。在图示例子中，由于齿数为奇数，通过在与齿底对应的环状部42设置针形浇口40，以使树脂的流动在与该针形浇口40夹着半径方向中心部相对的内齿部41(图1上侧中央的内齿部41)的中央处合流。由此，与设置多个浇口的情况相比，能够更可靠地将熔接线的位置控制在内齿部41内，能够防止由于熔接线的原因造成的内齿部41及环状部42的强度降低，稳定且产率良好地制造内芯部4。
此外，通过将成形收缩率小的热塑性树脂材料用于内芯部4，可以使内芯部4的旋转方向变换时在内芯部4与金属嵌入物2之间产生的摩擦力变小，从而使旋转方向的变换容易。而且，内齿部41具有从齿底朝向齿尖的尖细的剖面三角形状，注入到模具内的树脂从环状部42流入到各内齿部41，由此在各内齿部41的表层中，强化纤维被定向在从齿底朝向齿尖的方向上，从而有利于提高内齿部41的刚性和强度。
在表层部5注射成形时，优选地，通过设置沿着表层部5一侧的内周缘53的盘形浇口(图中未示出)，在将金属嵌入物2与内芯部4的合成体插入到模具内的状态下，通过上述盘形浇口向模具腔内注入树脂，由此抑制对表层部5的强度产生不良影响的熔接线的发生。
此外，在作为与内芯部4的环状部42的上述盘形浇口相反侧的侧面，如图2所示，可以预先形成支柱46，以防止由表层部5注射成形时的树脂流动压力造成的内芯部4的变形和变位。优选地该支柱46在周向上以等节距设置，但是没有必要对应于整个的内齿部41设置。此外，也可以使支柱46的尖端穿入表层部5，使其与表层部5的模具中设置的孔(图中未示出)相咬合。
其次，为了评价本发明涉及的树脂齿轮1，作为对比例子，制造了一种在金属嵌入物2的大径部22上加工有与咬合槽24相同形状的咬合槽以使金属嵌入物2与内芯部4不能相对旋转的树脂齿轮，并进行了强度比较试验。
试验中使用的各树脂齿轮如下：模数为2.5mm、压力角度为20度、齿数为35、基准圆直径为87.5mm、齿顶圆直径为92.9mm、齿宽度为11mm、变位系数为0.145的正齿轮，对于内芯部4，使用含40wt％碳纤维、比重为1.70、弯曲弹性率为29GPa、熔点为285℃、玻璃化转变温度为135℃、成形收缩率为1/1000以下的PA6T相当的树脂作为强化材料；对于表层部5，使用不含强化材料、比重为1.18、弯曲弹性率为2.9GPa、熔点为295℃、玻璃化转变温度为78℃、成形收缩率为15/1000的PA46。
图7中示出了各树脂齿轮的静态强度试验结果。试验是以使各树脂齿轮与规格相同的钢制齿轮相啮合并逐渐增加传递的负荷的方法来进行的。图表以齿轮齿部的挠曲变位(mm)为横轴、齿轮齿的传输转矩(Nm)为纵轴、表示了各树脂齿轮涉及的传输转矩-挠度曲线图。根据该图表可以看出，在传输转矩相等的情况下，本发明的树脂齿轮比对比例子的挠曲变位大。在本发明的树脂齿轮中，内芯部4未被拘束在旋转方向上，而在对比例子的树脂齿轮中，内芯部4被固定在旋转方向上，因此可以理解本发明的树脂齿轮的内芯部4由于传输转矩将在旋转方向上变位从而使得齿轮齿部的挠曲变位变大。
对上述进行整理，首先，关于疲劳强度和耐冲击性，内芯部4包含强化纤维，并通过由上述内齿部41的形状和成形过程形成的强化纤维的定向得到强化，从而确保了刚性和强度。此外，树脂材料的成形收缩率为1/1000以下这样小，由此使得内芯部4与金属嵌入物2之间产生的摩擦力变小，从而内芯部4相对于金属嵌入物2向旋转方向的相对变位可以有效地进行，作用在参加啮合的齿轮齿部31的表齿部51上的负荷，将从与其对应的内齿部41通过环状部42传达给未参加啮合的其他各内齿部41，从而负荷向包括与其对应的表齿部51的整个树脂部3分散。在现有的树脂齿轮中，由于整个树脂部固定在金属嵌入物上，所以应力集中产生于齿轮齿的齿根，而本发明的树脂齿轮由于上述负荷分散，能够吸收冲击且缓和了应力，同时实现高疲劳强度和高耐冲击性。
其次，关于振动/噪音特性、耐磨损性以及对啮合方的钢制齿轮的冲击性，本发明的树脂齿轮，由于表层部5是由富有弹性的PA46树脂形成的，因此齿轮齿部31将“大衰减”和“低硬度”，从而低振动/低噪音。此外，通过增大齿轮齿部31啮合时的接触面积，以使接触压力降低从而获得高耐磨损性，并且由于使用不含强化纤维的自然材料，所以还具有对啮合方的钢制齿轮的冲击性低的特性。而且，由于通过啮合而接受负荷的齿轮齿部31的挠曲量比现有的树脂齿轮大，因而低振动/低噪音和高耐磨损性将更加优良。此外，关于耐热性和制造成本，由于树脂部3(4、5)使用的是尼龙系树脂，只通过注射成形来形成齿轮齿部31(41、51)而无需切齿加工，因此能够实高现耐热性和低成本。
图8所示的是，将本发明涉及的树脂齿轮作为单缸二冲程发动机90的平衡装置80中的平衡从动齿轮81实施的实施方式。平衡从动齿轮81具有与上述的树脂齿轮1相同的结构，对相同的部件赋予相同的标记。图中，平衡装置80具有在发动机90的一侧与曲轴92平行配置的平衡轴82，在该平衡轴82上设置有平衡从动齿轮81以及配重84，另一方面，在曲轴92上设置有与平衡从动齿轮81啮合的平衡驱动齿轮83。
在曲轴92的曲柄销93的相反侧，设置有与曲轴92一体的配重94，随活塞91的往复运动向汽缸轴向的一次振动被配重94抵消，但是随着配重94的旋转，产生了向与汽缸轴交叉方向的二次振动。于是，曲轴92的旋转通过平衡驱动齿轮83、平衡从动齿轮81传达给平衡轴82，通过使平衡装置80的配重84与曲轴92的配重94同相位反方向旋转，以抵消随着配重94的二次振动，使发动机90的振动降低。
由于上述平衡装置80是通过发动机90的旋转来驱动的结构，因此随着发动机转数随运转状况的变化而变动，从平衡驱动齿轮83传递到平衡从动齿轮81的转矩发生变化时，振动和冲击将从平衡驱动齿轮83承载到平衡从动齿轮81的齿部。
但是，在本发明涉及的平衡从动齿轮81(1)中，加在外周侧的树脂部(4、5)上的振动和冲击通过高弹性率的内芯部4分散到平衡从动齿轮81的整个圆周，而且由于允许内芯部4和金属嵌入物2的相对旋转，因此在低弹性率的表层部5的两侧面部可以发生整体的弹性变形，该粘弹性的行为可以使振动衰减和吸收冲击，而且可以抑制因齿隙产生的撞齿声，使发动机90安静、低振动地运转。
此外，减轻了平衡从动齿轮81啮合中的齿部的负担、和局部的变形，提高了平衡从动齿轮81的耐冲击性和疲劳强度，而且通过树脂制成的表层部5能够实现耐磨损性和对平衡驱动齿轮83的低冲击性。
以上对本发明的几个实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，基于本发明的技术思想还可以进行各种变形和变更。
例如，在上述实施方式中，作为咬合部，示出了在金属嵌入物2设置锁槽24、在表层部5设置突起部54的情况，但槽(凹部)与突起的关系也可以是相反的，另外也可以采用能够阻止相互转动的其他形状。
此外，也可以将本发明实施为以下的树脂齿轮，即，使金属嵌入物(2)在齿轮旋转轴方向的两侧包括大径部、在其中央具有“小径部”，表层部(5)的两侧面部与上述大径部接合，在该接合部分设置有咬合部，内芯部(4)嵌入在金属嵌入物(2)的周槽中。
而且，在上述实施方式中，描述了将本发明作为正齿轮实施的情况。但本发明并不局限于此，在本发明的范围内还可以作为螺旋齿轮、锥齿轮等其他方式实施。此外，也可以在金属嵌入物2上一体形成旋转轴或者轮毂(ハブ)等其他旋转体，以替代在金属嵌入物2形成轴孔20。此外，在金属嵌入物2的内周侧还可以进一步包括树脂部分。
Claims (5)
1.树脂齿轮，包括：
由树脂材料构成并包括齿部的齿轮外周部；以及
位于所述齿轮外周部的内周侧呈环形或圆盘形的齿轮内周部件，
其特征在于，包括所述齿部的齿轮外周部包括：由高弹性率且高强度的树脂材料构成的内芯部；以及覆盖所述内芯部由低弹性率的树脂材料构成的表层部，所述内芯部被外嵌到所述齿轮内周部件上以能够绕齿轮旋转轴转动，在所述表层部与所述齿轮内周部件的接合部分设置有咬合部以阻止绕齿轮旋转轴的相对转动。
2.根据权利要求1所述的树脂齿轮，其中，所述齿轮内周部件具有齿轮旋转轴方向中央的大径部、和大径部两侧的小径部，所述内芯部外嵌到所述大径部，所述表层部的两侧面部越过所述内芯部和所述大径部的嵌合部与所述大径部的两侧面重合并与所述小径部接合，所述咬合部设置在该接合部分。
3.根据权利要求1所述的树脂齿轮，其中，所述内芯部与所述齿轮内周部件的嵌合部由在它们圆周方向延伸的至少一组沟槽和突条构成。
4.根据权利要求2所述的树脂齿轮，其中，所述齿轮内周部件在沿所述大径部两侧面的所述小径部的部分形成有周向延伸的凹部，所述表层部的所述接合部分向齿轮旋转轴方向中央侧扩宽。
5.根据权利要求1至4的任一项所述的树脂齿轮，其中，所述齿轮内周部件由金属或者陶瓷材料构成，将所述齿轮内周部件作为嵌入材料在其周围通过嵌入注射成形来形成所述内芯部，并且将该齿轮内周部件及内芯部作为嵌入材料在其周围通过嵌入注射成形来形成所述表层部。
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