CN110081145B - 复合齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供复合齿轮，其包括复合齿轮体和耐磨层，复合齿轮体和耐磨层填充有基体材料，耐磨层内设有沿复合齿轮周向缠绕的长纤，复合齿轮体内设有加强架。通过复合齿轮工作面设置沿复合齿轮周向缠绕的长纤，有利于大大提高复合齿轮轮齿的抗弯曲强度和齿面的耐磨度，有利于减小复合齿轮啮合的摩擦，降低传动负载，有利于本发明的复合齿轮适应高转速传动。复合齿轮体内设有加固架，有利于提高复合齿轮内部的结构强度。

Description

复合齿轮

技术领域

本发明涉及一种新型注塑复合齿轮。

背景技术

齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平直接影响到工业产品的质量。齿轮轮齿相互扣住，齿轮会带动另一个齿轮转动来传送动力。

现有技术的齿轮主要包括金属齿轮、陶瓷齿轮和塑料齿轮。但是金属齿轮质量较大，耗能高，不利于机械的小型化；陶瓷齿轮比较硬脆，齿轮受冲击时容易造成损坏；塑料齿轮的强度较低，传递扭矩较小。为提高齿轮强度，对齿轮进行复合成型。一般的复合齿轮使用单纯的颗粒或短纤填料进行增强，但是只能局部提高复合齿轮表面的耐磨度，无法整体提高复合齿轮的结构强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构强度高、耐磨的复合齿轮。

本发明提供复合齿轮，包括复合齿轮体和耐磨层，复合齿轮体和耐磨层填充有基体材料，耐磨层内设有沿复合齿轮周向缠绕的长纤，复合齿轮体内设有加强架。由此可见，通过复合齿轮工作面设置沿复合齿轮周向缠绕的长纤，有利于大大提高复合齿轮轮齿的抗弯曲强度和齿面的耐磨度，有利于减小复合齿轮啮合的摩擦，降低传动负载，有利于本发明的复合齿轮适应高转速传动。复合齿轮体内设有加固架，有利于提高复合齿轮内部的结构强度。

进一步方案为，沿复合齿轮径向，长纤外侧设置第一带孔布。进一步提高复合齿轮轮齿的抗弯曲强度和齿面的耐磨度。

进一步方案为，沿复合齿轮径向，长纤内侧设置第二带孔布。进一步提高复合齿轮轮齿的抗弯曲强度和齿面的耐磨度。

进一步方案为，第一带孔布外侧的基体材料具有粒状填料。有利于进一步增强复合齿轮齿面的耐磨度。

进一步方案为，长纤与第一带孔布之间的基体材料具有纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过第一带孔布而连接第一带孔布内外侧的基体材料。长纤与第二带孔布之间的基体材料具有纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过第二带孔布而连接第二带孔布内外侧的基体材料。至少部分纤维状填料穿过长纤之间的间隙而连接长纤布内外侧的基体材料。有利于提高耐磨层内部材料之间的结合力，提高复合齿轮齿面的抗拉能力，提高复合齿轮的结构强度。

进一步方案为，加强架包括位于复合齿轮内侧的柱体和分布在柱体外周的辐射状的肋条。有利于提高复合齿轮体结构强度。

进一步方案为，肋条包括分别沿柱体周向分布的长肋阵列和短肋阵列。沿复合齿轮的轴向，短肋阵列分布在相邻的长肋阵列之间。有利于节省材料和让出第二增强材料的放置空间。

进一步方案为，复合齿轮体还包括通过短肋阵列蛇行缠绕在沿柱体上的第一长丝。有效将第一长丝固定在柱体外周，提高复合齿轮体内部结构稳定性，整体提高复合齿轮的结构强度以提高复合齿轮周向的抗扭强度以及轴向挠性强度。

进一步方案为，复合齿轮体内还设置有交叠加强部。交叠加强部包含周向缠绕部和径向折叠部。周向缠绕部，沿复合齿轮周向逐层缠绕在第一长丝外侧。径向折叠部，沿复合齿轮径向在缠绕部层间蛇行交叠。有利于防止复合齿轮的挠性变形，防止周向缠绕部散落，进一步提高复合齿轮体结构强度。

进一步方案为，缠绕部为第二长丝，第二长丝与第一长丝相连。两组第一长丝和第二长丝反向缠绕。正反向均能有效地传递力矩，提高复合齿轮内部的抗扭强度。

进一步方案为，复合齿轮具有偶数轮齿。在同一轮齿的两个齿面上分别设置有极性不相同的两个工作磁极。相邻的两个轮齿，其相对的齿面的工作磁极的极性相同。由此方案可见，两个本发明的复合齿轮啮合时，沿复合齿轮旋转方向，主动轮的先进行啮合的轮齿齿面的工作磁极与从动轮轮齿的工作磁极产生排斥力，驱动从动轮转动。该轮齿的后进行啮合的轮齿齿面的工作磁极与从动轮的工作磁极产生吸引力，拉动从动轮转动。排斥力与吸引力的综合利用，有利于降低复合齿轮传动负载，减少复合齿轮的磨损，提高复合齿轮传动的稳定性，使本发明的复合齿轮适用于高转速传动。

附图说明

图1是本发明的复合齿轮俯视图；

图2是图1的局部的剖视图；

图3 是本发明复合齿轮的第一长丝及柱体的周向展开图；

图4是本发明交叠加强部的立体示意图；

图5是本发明的交叠加强部的径向折叠部示意图；

图6是本发明的长纤过轴孔与齿槽的示意图；

图7是图6的剖视放大视图；

图8是本发明的复合齿轮啮合示意图。

具体实施例

复合齿轮实施例

如图1所示，复合齿轮100包括复合齿轮体101和耐磨层102。

如图2所示，耐磨层102内沿复合齿轮100径向由外至内设置有沿复合齿轮100周向设置的第一带孔布103、沿复合齿轮周向缠绕的长纤104和沿复合齿轮100周向设置的第二带孔布105。第一带孔布103外侧的基体材料1021具有粒状填料。长纤104与第一带孔布103之间的基体材料1022具有预定长度的纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过第一带孔布103而连接第一带孔布103内外侧的基体材料；长纤104与第二带孔布105之间的基体材料1022具有预定长度的纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过第二带孔布105而连接第二带孔布105内外侧的基体材料；至少部分纤维状填料穿过长纤104之间的间隙而连接长纤布内外侧的基体材料。

优选的，长纤104沿复合齿轮周向缠绕至少一圈。长纤104可以是单丝沿复合齿轮周向连续缠绕，也可以是丝束沿复合齿轮周向连续缠绕。长纤104可以为碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、芳纶纤维、置于碳纳米管的碳炔等高强度的纤维状材料。

优选的，基体材料中的粒状填料包含至少两种平均粒径不同的同种或不同种填料，至少一种填料的平均粒径远小于其他填料的平均粒径。有利于利用小粒径填料填充空隙，提高填料填充量，提高粒状填料的比表面积，提高耐磨层结合强度，提高耐磨强度。

优选的，基体材料中的丝状填料包含至少两种不同长度的同种填料，各填料的长度有明显差异，有利于形成空间交织的网状结构，增强耐磨层102内的带孔布103和长纤102之间的粘合力，提高耐磨层102的基体材料的结构强度，防止基体材料在强冲击下脱落。

优选的，纤维状填料可以为具有预定长度的碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、芳纶纤维、置于碳纳米管的碳炔、碳化硅晶须、钛酸钾晶须、碳酸钙晶须、氧化锌晶须及硫酸钙晶等高强度材料；粒状填料可以为石墨烯、石墨、炭黑、碳化硅、氮化硅、立方氮化硼、六方氮化硼、氧化锆、碳化钛、碳化钨和氧化铝等填料。

耐磨层内的粒状填料不限于分布在第二带孔布103的外侧，还可以分布在整个耐磨层的基体材料内。

耐磨层内的纤维状填料不限于分布在第二带孔布103的内侧，还可以分布在整个耐磨层的基体材料中。

优选的，在基体材料还可以填充有沉析纤维填料，通过沉析纤维填料，进一步有利于提高纤维间的结合性能，增强材料之间的黏着力，从而提高复合磁齿轮的结构强度及韧性。沉析纤维填料优选为芳纶沉析纤维。

可选的，带孔布的孔可通过编织预置、针刺成型或布料受到基体材料挤压成型。

带孔布可以是碳纤维布、石英纤维布、玄武岩纤维布、硼纤维布、聚对苯撑苯并二噁唑纤维布，还可以是芳纶纤维布。可选的，复合齿轮体可通过注塑工艺成型。基体材料优选为聚苯并咪唑树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮树脂、酚醛树脂、有机硅树脂或环氧树脂等最少一种树脂。

优选的，本发明的基体材料填充有阻燃剂。该阻燃剂包括三聚氰胺聚磷酸盐和甲基膦酸二甲酯，其对环氧树脂的阻燃性能优良，有利于提高耐磨预浸料的耐水性和拉伸强度。可选的，该阻燃剂还可以由蒙脱土、三聚氰胺和三聚氰胺聚磷酸盐组成。

复合齿轮体101内设有加强架110。加强架110包括位于复合齿轮100内侧的柱体111和分布在柱体外周的辐射状的肋条。肋条包括分别沿柱体周向分布的长肋阵列112和短肋阵列113；沿复合齿轮100的轴向，短肋阵列113分布在相邻的长肋阵列112之间。第一长丝114通过短肋阵列113蛇行缠绕在沿柱体111上，如图3所示。第一长丝114及柱体111的周向展开图，第一长丝114按字母顺序头尾相接，以蛇形缠绕的形式缠绕在柱体111上。

复合齿轮体100内还设置有交叠加强部115；交叠加强部115包含作为周向缠绕部的第二长丝116和径向折叠部117； 第二长丝116沿复合齿轮100周向逐层缠绕在第一长丝114外侧，径向折叠部117沿复合齿轮径向在第二长丝116的层间蛇行交叠，如图4所示。

优选的，如图5所示，当交叠加强部115交叠至预定厚度，径向折叠部117的尾部沿复合齿轮100径向朝轴孔118方向折叠，呈包裹结构，进一步地提高交叠加强部115的结构强度，有效防止第二长丝116的散落。可选的，径向缠绕部1131可以碳纤维长纤、石英线、置于碳纳米管的碳炔等高强度的长纤材料。径向折叠部117与周向缠绕部还可以通过立体编织等编织方法进行交叠。

优选的，第二长丝116与第一长丝114一体地相连；优选的，设置两组第一长丝114和第二长丝116反向缠绕。

优选的，如图6、图7所示，沿齿轮径向，耐磨层每增加一层沿齿轮周向缠绕的长纤或带孔布，由齿轮轴孔119至齿槽120的位置上缠绕至少一圈的长纤121。有利于防止齿轮轮齿受力过程中，轮齿受力一侧的齿槽的耐磨层脱粘，增强耐磨层粘连的可靠性。

优选的，沿齿轮轴向，加强架110 靠近轴孔位置设置有用于安放长纤的过线槽122，便于长纤121的过线。用于长纤121过线的不限于是过线槽，还可以是过线孔。

优选的，柱体111由耐磨合金制成。耐蚀合金成型方法如下，通过在碳系填料表面沉积镍和铬中最少一种元素的方法制得预沉积碳系填料，将作为基体材料的耐蚀铁基合金粉末与预沉积碳系填料混合形成混合物。通过模压、烧结的方式将该混合物成型为本发明的耐蚀合金。模压烧结在惰性气体或真空下进行；烧结的温度在1122℃至1144℃之间；模压压强在560至800MPa之间。优选的，本发明的耐蚀合金的烧结时间在3至4h之间。铁基合金粉末含有镍和铬最少一种元素，碳系填料的密度小于耐蚀铁基合金的密度。耐蚀合金能通过渗氮处理，可极大提高耐腐蚀合金的表面硬度，从而提高其耐磨性。耐蚀合金有利于提高柱体111的耐蚀强度，还有利于提高本发明复合齿轮轴孔位置的抗扭强度和耐磨强度。

优选的，本发明的复合齿轮的表面通过喷涂石墨烯悬浮液的方式将石墨烯展开在磁复合齿轮表面上成型石墨烯防护层。石墨烯悬浮液的喷涂初速度大于380m/s，该喷涂速度优选的大于420m/s。石墨烯悬浮液具有较高的喷涂初速度有利于石墨烯悬浮液在喷涂中雾化，有利于石墨烯的均匀喷涂。高速喷出的液滴撞击电磁屏蔽层时，利于将动能转化为热能，促进石墨烯的亲油基团与复合齿轮的基团建立化学键，还有利于石墨烯的边缘重新接合，形成平滑的防护层。极大地提高复合材料的耐磨强度和抗冲击的能力。

优选的，喷涂石墨烯悬浮液的喷嘴与复合齿轮之间的距离小于5.5cm。

优选的，喷涂石墨烯悬浮液之前将喷嘴预热到300℃至340℃之间。同时对复合齿轮进行预热处理。有利于提高石墨烯活性，也有利于提高形成动态喷雾，有利于减少石墨烯悬浮液与复合齿轮之间的温差，防止热胀冷缩而导致石墨烯防护涂层的脱落。

优选的，在复合齿轮凝胶后且完全固化前完成石墨烯悬浮液喷涂。

优选的，石墨烯锚固甲基、乙基、丙基、丁基、苯基、环己基、乙烯基、丙烯基、氨基、氨丙基、氨乙基氨丙基、巯基丙基和苯胺甲基胺基中至少一种亲油基团。石墨烯悬浮液的液体由甲醇、乙醇、丙酮、丁酮和DMF中的至少一种混合而成，石墨烯与石墨烯悬浮液的质量比在7%至9.5%之间。有利于降低石墨烯涂层的重叠度，增加石墨烯与复合齿轮表面的边缘接触，同时易于实现石墨烯的单一薄层，有利于提高复合材料的抗冲击能力。

形成的石墨烯防护层上的石墨烯片层结构层层叠加、交错排列，通过形成弯曲的通道构成迷宫式的屏蔽架构，实现曲路密封。有利于提高石墨烯防护涂层致密性，从而其防水性能，有效地抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散。

根据图1和图8所示，本发明复合齿轮100是磁性复合齿轮。复合齿轮100具有偶数轮齿。在轮齿内设置有磁源150。在同一轮齿的两个齿面上分别设置有极性不相同的两个工作磁极；相邻的两个轮齿，其相对的齿面的工作磁极的极性相同。

优选的，一对复合齿轮啮合传动，包括主动轮200和从动轮300。主动轮200的齿槽201设置有第一磁源202，从动轮300的齿槽301设置有第二磁源302；主动轮200和从动轮啮合300，第一磁源202靠近从动轮300的轮齿齿顶303产生排斥力；第二磁源302靠近主动轮200的轮齿齿顶203产生排斥力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.复合齿轮，包括复合齿轮体和耐磨层，所述复合齿轮体和所述耐磨层填充有基体材料，其特征在于：

所述耐磨层内设有沿所述复合齿轮周向缠绕的长纤；

所述复合齿轮体内设有加强架;

所述加强架包括位于所述复合齿轮内侧的柱体和分布在所述柱体外周的辐射状的肋条；

所述肋条包括分别沿所述柱体周向分布的长肋阵列和短肋阵列；

沿所述复合齿轮的轴向，所述短肋阵列分布在相邻的所述长肋阵列之间；

所述复合齿轮体还包括通过所述短肋阵列蛇行缠绕在所述柱体上的第一长丝；

所述复合齿轮体内还设置有交叠加强部；

所述交叠加强部包含周向缠绕部和径向折叠部；

所述周向缠绕部，沿所述复合齿轮周向逐层缠绕在所述第一长丝外侧；

所述径向折叠部，沿所述复合齿轮径向在所述周向缠绕部层间蛇行交叠；

所述周向缠绕部为第二长丝，所述第二长丝与所述第一长丝相连；

两组所述第一长丝和所述第二长丝反向缠绕。

2.根据权利要求1所述复合齿轮，其特征在于：

沿所述复合齿轮径向，所述长纤外侧设置第一带孔布。

3.根据权利要求2所述复合齿轮，其特征在于：

沿所述复合齿轮径向，所述长纤内侧设置第二带孔布。

4.根据权利要求3所述复合齿轮，其特征在于：

所述第一带孔布外侧的基体材料具有粒状填料。

5.根据权利要求3所述复合齿轮，其特征在于：

所述长纤与所述第一带孔布之间的基体材料具有纤维状填料，至少部分所述纤维状填料穿过所述第一带孔布而连接所述第一带孔布内外侧的基体材料；

所述长纤与所述第二带孔布之间的基体材料具有纤维状填料，至少部分所述纤维状填料穿过所述第二带孔布而连接所述第二带孔布内外侧的基体材料；

至少部分纤维状填料穿过所述长纤之间的间隙而连接所述长纤布内外侧的基体材料。

6.根据权利要求1至5任一所述复合齿轮，其特征在于：

所述复合齿轮具有偶数轮齿；

在所述轮齿内设置有磁源；

在同一所述轮齿的两个齿面上分别设置有极性不相同的两个工作磁极；

相邻的两个所述轮齿，其相对的齿面的工作磁极的极性相同。

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