CN110030364A - 一种多层式金属/树脂齿轮及其制造工艺和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多层式金属/树脂齿轮，包括：有轮轴部和轮毂部的金属芯部；以及包围轮毂部外周部的树脂齿圈部，其特征在于所述金属芯部的轮轴部和轮毂部是通过锻造或铸造的方式一体成型的；所述树脂齿圈部包括有凸齿的支撑环和外齿层，支撑环由第一树脂成型于金属芯部的外周部，由第二树脂形成外齿层包裹于所述的支撑环的外周面。本发明的制造工艺提高了加工效率，并大幅降低了制造成本。本发明多层式金属/树脂齿轮具有配合传动关系好、强度高、精度高、输出扭矩高、运行平稳且噪音小等优点。

Description

一种多层式金属/树脂齿轮及其制造工艺和用途
技术领域
本发明涉及齿轮技术领域，特别涉及金属/树脂复合齿轮技术领域，更具体地涉及一种多层式金属/树脂齿轮及其制造工艺和用途。
背景技术
齿轮传动是传递机械动力和运动的一种主要形式，齿轮传动效率高、传动比稳定、结构紧凑，因而应用广泛。国际上，动力传动齿轮装置正向轻量化、高速化、标准化方向发展。
金属齿轮由于传递误差造成的啮合和由于齿隙造成的撞齿等原因，存在振动和噪音的问题。与金属齿轮相比，树脂齿轮不仅生产成本低、成型工艺好、生产效率高，还具有质量轻、传动稳定、吸振降噪及耐磨性好等优点。在齿轮的一些应用领域，有用树脂齿轮替代金属齿轮的发展趋势。然而，树脂齿轮最重要的缺点是强度相对较低。运用树脂齿轮时，面临的关键问题之一就是强度是否满足需要。
随着高强度、高耐磨等高性能树脂的推出，进一步推动树脂齿轮向高负荷方向发展，应用领域进一步拓宽。目前，树脂齿轮已广泛应用于汽车、家电、办公用品等领域。在汽车领域电子助力转向系统(EPS)中应用的树脂齿轮是以树脂齿轮代替金属齿轮的成功案例。
EPS齿轮是汽车电子助力转向器中的主要传动部件。随着汽车行业的飞速发展，对EPS齿轮的要求也越来越高。要求齿轮振动和噪音低、能够阻抗扭矩和轴向力、具有耐久性和抗疲劳性，尤其是对尺寸稳定性和精度的要求越来越高。为提高承载能力，EPS齿轮一般使用包括内部金属轮毂和外部树脂齿圈的金属/树脂复合齿轮。
现有技术中，金属/树脂复合齿轮的制造工艺通常是：先制作中心设置有轴孔的金属轮毂；通过树脂注塑成形于金属轮毂的外周部形成齿部；在轮毂中心的轴孔中安装轮轴部，轮轴部与轮毂部紧密过盈压配实现固定，从而通过轮轴部的转动带动树脂齿轮旋转。
然而，由于轮轴部与轮毂部之间是通过紧密配合关系固定，如果轮轴部的旋转速度过快，轮轴部与轮毂部之间的紧密配合关系可能无法达到轮轴部带动树脂齿轮的要求而导致树脂齿轮容易发生位置偏移，从而无法实现传动的关系。
而且，轮轴部与轮毂部配合处需要先进行滚花、再感应淬火处理，且轮毂部的轴孔加工精度要求高、难度大。轮轴部和轮毂部在进行压配过程中的装配精度要求高，轮轴部轴线与轮毂部的端面不能完全保证处于垂直的关系，轮轴部与轮毂部之间的配合力也需要测试。因而，制造工艺复杂、难度大、成本较高。
此外，金属/树脂复合齿轮的齿部是通过注塑成型得到的，成型后再进行轮轴部和轮毂部的压配，由于存在装配误差，齿的精度只能到达10级。
另一方面，由于树脂强度低、硬度低、耐热性差，容易导致树脂齿轮因结构设计不合理而失效。而且，由于金属和树脂在机械性能和热胀冷缩等物理性能上有较大的不同，因而，对于金属/树脂复合齿轮而言，为满足阻抗扭矩和轴向力的要求，合理的结构设计是非常重要的。
另外，现有的树脂齿轮的齿部通常通过树脂注塑成形于刚性结构的铁芯外周面，通过一种树脂注射成形制成的树脂齿轮，在齿轮的强度方面还有进一步改进的空间。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种配合传动关系好、强度高、精度高、输出扭矩高、运行平稳且噪音小的多层式金属/树脂齿轮，以克服轮轴部与轮毂部配合不紧密、装配精度低、制造工艺复杂、难度大、成本高、齿的精度低、齿轮强度不足等缺陷。
为此，本发明涉及一种多层式金属/树脂齿轮，包括：有轮轴部和轮毂部的金属芯部；以及包围轮毂部外周部的树脂齿圈部，其特征在于所述金属芯部的轮轴部和轮毂部是通过锻造或铸造的方式一体成型的；所述树脂齿圈部包括有凸齿的支撑环和外齿层，支撑环由第一树脂成型于金属芯部的外周部，由第二树脂形成的外齿层包裹于所述的支撑环的外周面。
一种优选的实施方案中，第一树脂的弹性率和强度高于第二树脂。
一种优选的实施方案中，支撑环凸齿的端面上设置多个凸起或凹槽。
一种优选的实施方案中，支撑环凸齿的齿面上设置多个凸起或凹槽。
一种优选的实施方案中，支撑环凸齿的端面和齿面上均设置多个凸起或凹槽。
一种优选的实施方案中，所述轮毂部的外侧设置有多个填充树脂的通孔。
一种优选的实施方案中，所述通孔沿圆周均匀分布。
一种优选的实施方案中，所述通孔内设置有凸台。
一种优选的实施方案中，所述多层式金属/树脂齿轮的齿的精度在9级以上。
本发明的另一目的是提供一种多层式金属/树脂齿轮的制造工艺，以克服轮轴部与轮毂部配合不紧密、装配精度低、制造工艺复杂、难度大、成本高、齿的精度低、强度不足等缺陷，以较低的成本生产出配合传动关系好、强度高、精度高、输出扭矩高、运行平稳且噪音小的多层式金属/树脂齿轮。
为此，本发明涉及一种多层式金属/树脂齿轮的制造工艺，包括以下步骤：
1)通过锻造或铸造的方式使金属芯部的轮轴部和轮毂部一体成型，形成齿轮的金属芯部；
2)在所述金属芯部的轮毂部的外周部注塑第一树脂形成有凸齿的支撑环；
3)使第二树脂包裹于所述的支撑环的外周面形成外齿层。
本发明的再一目的是提供所述多层式金属/树脂齿轮用于电子助力转向系统的用途。
本发明的技术方案可以获得以下有益效果：
1、先使金属的轮轴部和轮毂部一体成型后再注塑树脂齿圈，可以保证轮轴部与轮毂部轴心线同轴，也能保证轮毂部轴线与轮毂部的端面垂直，并使轮轴部和轮毂部紧密配合。
2、省去了难度较高的轴孔加工和轮轴装配工序，大大提高了加工效率，大幅降低了制造成本。
3、使多层式金属/树脂齿轮的齿的精度从现有技术的10级提高到9级以上，从而可确定齿轮运行平稳且噪音小。
4、可以较小的芯轴直径达到扭矩要求，从而节省了材料成本。本发明多层式金属/树脂齿轮能抵抗450Nm以上的扭矩。
5、采用高强度的增强树脂形成支撑环，提高了本发明多层式金属/树脂齿轮的强度。同时，采用低弹性率、高耐磨性的树脂形成外齿层，改进了吸振降噪的效果。
6、支撑环凸齿的端面和齿面设置凸起或凹槽，提高了支撑环与外齿层的结合力。
7、金属芯部的轮毂外侧设置多个通孔，注塑成型时树脂填充至孔中，提高了树脂与金属的结合力，树脂齿圈部打滑扭矩明显提高。从而，可以降低树脂齿轮的厚度。
本发明的其他有益效果将在下面结合附图描述的具体实施方式中体现。
附图说明
图1为本发明多层式金属/树脂齿轮的示意图；
图2为本发明多层式金属/树脂齿轮的金属芯部的示意图。
附图标记：1、金属芯部；2、支撑环；3、外齿层；4、轮毂部；5、通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供一种多层式金属/树脂齿轮，包括：有轮轴部和轮毂部的金属芯部；以及包围轮毂部外周部的树脂齿圈部，其特征在于所述金属芯部的轮轴部和轮毂部是通过锻造或铸造的方式一体成型的；所述树脂齿圈部包括有凸齿的支撑环和外齿层，支撑环由第一树脂成型于金属芯部的外周部，由第二树脂形成外齿层包裹于所述的支撑环的外周面。
如图1所示，本发明多层式金属/树脂齿轮包括：金属芯部1、支撑环2和外齿层3。
如图2所示，本发明多层式金属/树脂齿轮的金属芯部1包括一体成型的轮轴部和轮毂部，轮毂部4的外侧设置有多个通孔5。
用于制造金属芯部的金属材料没有特别的限制，根据齿轮的用途，可以使用钢或各种合金。优选使用钢。
用于形成外齿层的第二树脂没有特别的限制，优选采用弹性率较低、耐磨性高的树脂，例如可以采用聚酰胺、聚苯硫醚、聚酯、聚醚砜、聚缩醛等各种合成树脂。优选采用聚酰胺树脂，例如PA6、PA66、PA46、PA6T、PA9T、PA66T等尼龙系树脂。合成树脂中可包括各种添加剂，例如催化剂、热稳定剂、着色剂、交联剂等。
用于制造支撑环的第一树脂优选采用强度高于第二树脂的树脂。例如可以使用增强的高性能树脂。更优选在第一树脂中加入碳纤维、玻璃纤维等各种强化纤维。
作为使金属芯部一体成型的方法，可以采用各种金属成型方法。从成本和加工精度考虑，优选采用锻造或铸造的方式，更优选采用冷锻的方式。轮毂部与轮轴部一体成型，可提高金属芯部的承载扭矩。同时，省去了难度较高的轴孔加工和轮轴装配工序，可提高加工效率，并降低制造成本。一体成型后再注塑树脂齿圈，可以保证轮轴部与轮毂部轴心线同轴，也能保证轮毂部轴线与轮毂部的端面垂直，并使轮轴部和轮毂部紧密配合。同时，可提高多层式金属/树脂齿轮的齿的精度，从而可确保齿轮运行平稳且噪音小。
在金属芯部的轮毂外侧设置多个通孔，注塑成型时树脂填充至孔中，可以提高树脂与金属的结合力。
另一实施方案中，轮毂部的一端端面上在径向方向设置有多根加强筋，加强筋延伸至轮毂部的外缘处。
另一实施方案中，为加强树脂与金属轮毂之间的结合力，使金属芯部的轮毂部外侧形成能加强树脂与金属之间连接强度的构造。优选轮毂部外侧的构造能够在径向、轴向和切向中至少一个方向上加强树脂与金属之间的连接强度。所述构造可以采用各种形式，例如各种形状的纹理、微细凹凸面、凹口、凹槽、边缘或凹凸结构等，以在径向、轴向和切向中至少一个方向上提供机械锁定。
支撑环凸齿的端面、齿面、或者端面和齿面上设置多个凸起或凹槽。在支撑环上形成包裹于其外周面外齿层后，支撑环与外齿层之间形成凹凸结构，从而可加强支撑环与外齿层的结合力。
实施例
以铸造的方式用碳钢制造一体成型的有轮轴部和轮毂部的金属芯部，轮轴部的外径为30mm。轮毂部的外径为70mm，厚度为4mm。轮毂部的外侧设置有16个沿圆周均匀分布的通孔，直径5mm。将制成的金属芯部置于注塑模具中。注塑纤维增加的聚酰胺树脂形成包围轮毂部的外周部的支撑环，树脂充满所述通孔。支撑环凸齿的端面和齿面上设置多个凹槽。然后，使PA66树脂包裹于所述的支撑环的外周面形成外齿层。支撑环和外齿层构成齿圈部，其外径为90mm，厚度为18mm，齿数44。制成本发明的多层式金属/树脂齿轮A。
对比例
采用与实施例相同的材料制造与实施例相同规格的多层式金属/树脂齿轮。但采用现有技术的制造工艺：先制作中心设置有轴孔的金属轮毂；用与实施例相同的注塑工艺形成包围轮毂部的外周部的齿圈部；然后在轮毂中心的轴孔中安装轮轴部，以紧密过盈压配的方式实现固定。制成对比的多层式金属/树脂齿轮B。
检测实施例和对比例所制成的多层式金属/树脂齿轮的各项参数，测量结果示于表1中。
表1
检测项目 齿轮A(本发明) 齿轮B(对比例)
齿形总公差(μm) 30 43
螺旋线总公差(μm) 29 41
径向综合公差(μm) 86 120
一齿切向综合公差(μm) 72 100
精度等级 9级 10级
金属芯与芯轴分离扭矩(Nm) 21000 1200
从测试结果可以看出，采用本发明工艺制造的多层式金属/树脂齿轮，在齿的精度、最大承载扭矩以及树脂与金属的结合力方面，都比采用现有技术工艺制造的多层式金属/树脂齿轮有明显的改进。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层式金属/树脂齿轮，包括：有轮轴部和轮毂部的金属芯部；以及包围轮毂部外周部的树脂齿圈部，其特征在于所述金属芯部的轮轴部和轮毂部是通过锻造或铸造的方式一体成型的；所述树脂齿圈部包括有凸齿的支撑环和外齿层，支撑环由第一树脂成型于金属芯部的外周部，由第二树脂形成的外齿层包裹于所述的支撑环的外周面。
2.根据权利要求1所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于第一树脂的弹性率和强度高于第二树脂。
3.根据权利要求1所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于支撑环凸齿的端面上设置多个凸起或凹槽。
4.根据权利要求1所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于支撑环凸齿的齿面上设置多个凸起或凹槽。
5.根据权利要求1所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于支撑环凸齿的端面和齿面上均设置多个凸起或凹槽。
6.根据权利要求1至5之任一所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于所述轮毂部的外侧设置有多个填充树脂的通孔，所述通孔沿圆周均匀分布。
7.根据权利要求6所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于所述通孔内设置有凸台。
8.根据权利要求6所述的多层式金属/树脂齿轮，其特征在于所述多层式金属/树脂齿轮的齿的精度在9级以上。
9.根据权利要求1至8之任一所述多层式金属/树脂齿轮的制造工艺，包括以下步骤：
1)通过锻造或铸造的方式使金属芯部的轮轴部和轮毂部一体成型，形成齿轮的金属芯部；
2)在所述金属芯部的轮毂部的外周部注塑第一树脂形成有凸齿的支撑环；
3)使第二树脂包裹于所述的支撑环的外周面形成外齿层。
10.根据权利要求1至8之任一所述的多层式金属/树脂齿轮用于电子助力转向系统的用途。
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