CN110418911A - 树脂齿轮和齿轮机构 - Google Patents

树脂齿轮和齿轮机构 Download PDF

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Abstract

本发明的一个方式的树脂齿轮由树脂材料和碳材料的混合材料构成，所述碳材料是球状的无定形碳。

Description

树脂齿轮和齿轮机构
技术领域
本发明涉及树脂齿轮和齿轮机构。
背景技术
以往，在使用了金属材料的齿轮彼此的情况下，因齿隙引起的振动或噪声成为问题。因此，为了降低因齿隙引起的振动和噪声，近年来，提出了应用使用了树脂材料的齿轮。
另外，为了传递较大的应力，要求提高树脂齿轮的耐久性和耐磨损性。作为用于提高树脂齿轮的耐久性和耐磨损性的一个手段，例如像专利文献1、2那样研究了在树脂材料中添加增强纤维来提高耐久性、耐磨损性的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-77541号公报
专利文献2：日本再公表WO2004-015309号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在齿轮是小型的情况下，由于没有设置滚动轴承的空间，因此树脂制齿轮自身需要高润滑性。
鉴于上述问题，本发明的一个方式的目的之一在于，提供如下的树脂齿轮和具有该树脂齿轮的齿轮机构：所述树脂齿轮通过含有增强纤维，即使是小型的，也具有充分的耐久性和耐磨损性，并且润滑性良好。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式的树脂齿轮由树脂材料和碳材料的混合材料构成，碳材料是球状的无定形碳。
发明效果
根据本发明的一个方式，能够提供如下的树脂齿轮和具有该树脂齿轮的齿轮机构：所述树脂齿轮即使是小型的，也具有充分的耐久性和耐磨损性，并且润滑性良好。
附图说明
图1是示出将实施方式的树脂齿轮用作了外齿齿轮20的小型减速机100的一部分的结构的图。
图2是示出外齿齿轮20的图。
图3是示出内齿齿轮10的图。
图4是示出使用前的外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a的一部分的放大图。
图5是示出使用后的外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a的一部分的放大图。
图6是示出使用后的外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a和轴7的一部分的放大图。
具体实施方式
本发明的树脂齿轮由树脂材料和碳材料的混合材料构成。作为碳材料，使用球状的无定形碳，在树脂材料中混合了大量的球状无定形碳。这样的树脂齿轮例如能够优选用作图1所示的小型减速机100的外齿齿轮20那样的具有滑动轴承功能的齿轮。
以下，参照附图对具有作为本发明的一个实施方式的树脂齿轮的外齿齿轮20的小型减速机100的结构进行说明。另外，本发明的范围不限于以下的实施方式，能够在本发明的技术思想的范围内任意地变更。另外，在以下的附图中，为了容易理解各结构，有时使实际的构造和各构造中的比例尺或数量等不同。
另外，在附图中，适当示出XYZ坐标系作为三维直角坐标系。在XYZ坐标系中，Z轴方向是与图1所示的第1中心轴线J1、第2中心轴线J2的轴向平行的方向。X轴方向是与Z轴方向垂直的方向，是图1的左右方向。Y轴方向是与X轴方向和Z轴方向这两个方向垂直的方向，是图1的上下方向。
另外，在以下的说明中，将与第1中心轴线J1和第2中心轴线平行的方向(Z轴方向)简称为“轴向”，将以第1中心轴线J1或第2中心轴线为中心的径向简称为“径向”，将以第1中心轴线J1或第2中心轴线为中心的周向、即绕着第1中心轴线J1或第2中心轴线的方向简称为“周向”。
(小型减速机)
图1是示出将本发明的树脂齿轮用作了外齿齿轮20的小型减速机100的一部分的结构的图。如图1所示，小型减速机(齿轮机构)100至少具有内齿齿轮10、外齿齿轮20、轴7以及多个支承销8。轴7是小型减速机100的输入轴，该轴7具有：未图示的轴主体，其沿着第1中心轴线J1延伸；以及偏心部7B，其设置于轴主体的前端，沿着第2中心轴线J2延伸。
(外齿齿轮20)
图2是示出外齿齿轮20的图。外齿齿轮(树脂齿轮)20是摆线齿轮。如图1和图2所示，外齿齿轮20呈从第2中心轴线J2沿径向扩展的大致圆环板状。在外齿齿轮20的外周设置有朝向径向外侧突出的多个外齿22。另外，在沿周向相邻的外齿22彼此之间设置有朝向径向内侧凹陷的外齿间槽23。在绕着第2中心轴线J2的方向上，外齿22和外齿间槽23交替地存在。外齿齿轮20的齿顶圆直径例如为2mm以上并且12mm以下。
外齿齿轮20在中央部分具有沿轴向(Z轴方向)贯通的轴插入孔(第1贯通孔)24。轴插入孔24是将沿着第2中心轴线J2延伸的轴(第1轴)7的偏心部7B支承为能够旋转的轴孔。轴插入孔24是滑动轴承，在内侧保持有润滑油19(图6)。
外齿齿轮20在轴插入孔24的周围具有多个贯通孔25。多个贯通孔(第2贯通孔)25在向径向外侧远离轴插入孔24的位置沿着以第2中心轴线J2为中心的周向等间隔地配置。另外，各贯通孔25的径向上的位置分别相同。
在本实施方式中，贯通孔25设置有10个左右，但数量不限于此。沿轴向(Z轴方向)观察到的贯通孔25的形状为圆形形状。多个贯通孔25是滑动轴承，在内侧保持有润滑油19(图6)。
在多个贯通孔25中分别插入有图1所示的支承销(第2轴)8。贯通孔25的内径大于支承销8的外径。支承销8的外周面8b与贯通孔25的内周面25a接触。支承销8限制外齿齿轮20的自由旋转，使外齿齿轮20绕着第1中心轴线J1摆动。支承销8与小型减速机100的输出轴连接。外齿齿轮20与配置于其径向外侧的内齿齿轮10啮合。
(外齿齿轮20的材质)
外齿齿轮20是本发明的一个实施方式的树脂齿轮。外齿齿轮20是将包含碳材料的增强树脂作为材料的树脂齿轮。作为外齿齿轮20的材料，母材使用树脂材料11(图4)，作为针对母材的添加剂，使用球状的无定形碳。以下，将该添加剂简称为球状无定形碳(碳材料)12(图4)。
对于母材所使用的树脂材料11，选择成型性优异、机械强度高的高分子材料。作为具体的树脂材料11，例如，能够举出从由作为结晶性的超级工程塑料的PEEK(Poly etherether ketone)聚醚醚酮树脂)、LCP(Liquid Cristal Polymer液晶聚合物)、PPS(PolyPhenylene Sulfide Resin聚苯硫醚树脂)、或半芳香族尼龙(PA4T、PA6T、PA9T、PA10T)、聚酰胺46(PA46)等聚酰胺系树脂组成的组中选择的一个或两个以上的材料。
球状无定形碳12是平均纵横比为2以下的碳微小颗粒。球状无定形碳12的平均粒径为5μm～10μm。
这里，平均纵横比是指针对规定的范围内所包含的多个颗粒，对将球状无定形碳12的与长径方向垂直的径向上的长度设为短径r(μm)、将球状无定形碳12的长径方向上的长度设为长径L(μm)时的L/r比进行平均而得到的值。颗粒的一个纵横比是能够通过观察球状无定形碳12、将球状无定形碳12的长径除以短径来计算的。
球状无定形碳12的大小能够使用光学显微镜或电子显微镜来测定。例如，使用扫描型电子显微镜(SEM)，从分散于母材中的球状无定形碳中选择例如100个任意的球状无定形碳12，测量这些球状无定形碳12的长径和短径。能够根据测量出的长径和短径而求取100个球状无定形碳12的纵横比，计算平均纵横比作为这些纵横比的平均值。
微颗粒化后的球状无定形碳12呈纵横比较小的球状，因此相对于树脂材料11具有非常好的分散性，以均匀的状态分布在树脂材料11中。另外，由于纵横比较小，因此球状无定形碳12在树脂材料11中的分散方向不会表现出各向异性，得到了尺寸精度高并且高强度的外齿齿轮20。
在本实施方式的外齿齿轮20中，在树脂材料的母材中含有20体积％～70体积％的作为碳材料(增强材料)的球状无定形碳12。更优选为30体积％～60体积％。进一步优选为50％。球状无定形碳12的含量不到20体积％的话，无法得到期望的效果。另一方面，球状无定形碳12的含量超过70重量％的话，相对于球状无定形碳12，树脂材料11变少，填满空隙的树脂量不足，因此齿轮的成型性、尺寸精度有可能降低。因此，通过在树脂材料11中按照上述范围内的比例来添加球状无定形碳12，能够得到尺寸精度高的外齿齿轮20。
另外，通过在树脂材料11中添加球状无定形碳12，与仅是树脂材料11的情况相比，热膨胀系数降低。因此，抑制了由于使用时发热所导致的外齿齿轮20的尺寸变化。
(内齿齿轮10)
图3是示出内齿齿轮10的图。如图1和图3所示，内齿齿轮10由一个部件构成，该一个部件具有以第1中心轴线J1为中心的圆筒状的内齿齿轮主体10A和从内齿齿轮主体10A的一部分延伸的固定部10B。在内齿齿轮主体10A的内周面10a上设置有从内周面10a朝向径向外侧突出的多个内齿13。在沿周向相邻的内齿13彼此之间设置有朝向径向内侧(内周面10a)凹陷的内齿间槽14。内齿13和内齿间槽14在绕着第1中心轴线J1的方向上交替地存在。内齿齿轮10的齿顶圆直径例如为2mm以上并且12mm以下。
如图1所示，内齿齿轮主体10A包围外齿齿轮20的径向外侧。内齿齿轮主体10A的内齿13与外齿齿轮20的外齿22对置，并且根据外齿齿轮20的摆动动作而在周向上依次部分地啮合。
(内齿齿轮10的材质)
作为内齿齿轮10的材料，选择成型性优异、机械强度高的高分子材料。作为具体的树脂材料，例如，能够举出从由作为结晶性的超级工程塑料的PEEK(Poly ether etherketone)聚醚醚酮树脂)、LCP(Liquid Cristal Polymer液晶聚合物)、PPS(Poly PhenyleneSulfide Resin聚苯硫醚树脂)、或半芳香族尼龙(PA4T、PA6T、PA9T、PA10T)、聚酰胺46(PA46)等聚酰胺系树脂组成的组中选择的一个或两个以上的材料。内齿齿轮10能够通过对树脂材料进行注射成型来制造。
优选在内齿齿轮10中含有碳材料。作为内齿齿轮10的材料，使用在上述的树脂材料内添加了碳纤维(未图示)的纤维增强混合材料，由此能够提高内齿齿轮10的耐久性。作为碳纤维，优选使用纤维长为100μm以下的短纤维。
上述的外齿齿轮20的母材可以使用与内齿齿轮10的母材相同的材料，也可以使用与内齿齿轮10的母材不同的材料。
在本实施方式的小型减速机100中，当图1所示的轴7绕着第1中心轴线J1旋转时，被轴7的偏心部支承的外齿齿轮20的贯通孔25的内周面25a与支承销8的外周面8b内切的位置发生变化，同时外齿齿轮20在径向上摆动。通过该摆动，外齿齿轮20的外齿22与内齿齿轮10的内齿13啮合的位置在周向上发生变化。这里，每当轴7绕着第2中心轴线J2旋转一圈，啮合的位置在周向上偏移一个齿。其结果为，与支承销8连结的输出轴例如以轴7的1/30的速度进行旋转。上述的小型减速机100的动作是一例，也可以是进行其他动作的结构。
图4是示出使用前的外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a的一部分的放大图。图5是示出使用后的外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a的一部分的放大图。图6是示出使用后的外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a和轴7的一部分的放大图。
以往，在外齿齿轮20仅由树脂材料构成的情况下，在该外齿齿轮20与轴7之间会产生缺油，成为了在轴插入孔24的内周面上产生损伤的原因。
与此相对，在本实施方式中，将硬度比树脂材料11高的球状无定形碳12添加于树脂材料11中而形成了外齿齿轮20。当轴7旋转时，在轴7与外齿齿轮20之间产生摩擦，外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a产生磨损。
另外，伴随着轴7的旋转而进行旋转的外齿齿轮20的旋转通过各一个地插入于外齿齿轮20的多个贯通孔25的各个贯通孔25中的多个支承销8与各贯通孔25的内周面25a接触而被限制。这样，各贯通孔25的内周面25a通过与支承销8接触而也产生磨损。
在外齿齿轮20产生磨损时，相对柔软的树脂材料11优先被磨削，因此较硬的球状无定形碳12的一部分会向各内周面24a、25a的径向内侧突出。
在轴插入孔24的内周面24a和各贯通孔25的各个内周面25a中，当各表面的树脂材料11被磨削时，像图4所示那样埋在树脂材料11中的硬度高的球状无定形碳12会像图5所示那样出现在表面，在球状无定形碳12与树脂材料11之间产生间隙15。于是，在形成于各内周面24a、25a上的间隙15内，通过毛细管现象而保持有润滑油19(图6)。另外，在图4和图5中，放大示出了轴插入孔24的内周面24a的一部分，贯通孔25的内周面25a也是相同的表面。
另外，如图6所示，由于一部分向轴插入孔24的径向内侧突出的球状无定形碳12而导致在轴7与轴插入孔24之间产生间隙16。在该间隙16内也是通过毛细管现象而保持有润滑油19。
这样，通过小型减速机100的驱动，能够利用毛细管现象而使分别形成于外齿齿轮20的轴插入孔24的内周面24a和多个贯通孔25的内周面25a上的凹凸(上述的间隙15和间隙16等)保持有润滑油19。对于具有比贯通孔25的孔径小的直径的支承销8，通过外齿齿轮20与支承销8进行点接触，在承受载荷的同时能够将贯通孔25的内周面25a所保持的润滑油19涂在支承销8的周围。
由此，成为能够长期使用而不会用尽外齿齿轮20与轴7和多个支承销8之间的油膜、相对于轴7和多个支承销8具有良好的润滑性的外齿齿轮20。其结果为，在小型减速机100中，能够使外齿齿轮20作为滑动轴承发挥功能，因此抑制了由于摩擦所导致的外齿齿轮20的疲劳，能够使外齿齿轮20长寿命化。
另外，由于在树脂材料11中添加的碳材料是球状的无定形碳，因此即使在使用中球状无定形碳12从树脂材料11内露出，也不会损伤轴7和多个支承销8。
本实施方式的小型减速机100具有包含碳纤维的内齿齿轮10和包含球状无定形碳12的外齿齿轮20，因此能够得到即使是小型的，耐久性和耐磨损性也充分提高了的齿轮构造，从而能够得到可靠性高的小型减速机100。
特别是，外齿齿轮20承受压缩力和剪切力双方，因此耐久性和耐磨损性很重要。球状的无定形碳不容易开裂并且不容易被磨削。因此，通过在树脂材料11中添加球状无定形碳12，能够提高外齿齿轮20的耐久性和耐磨损性。
以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但实施方式的各结构及它们的组合等是一例，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行结构的附加、省略、置换以及其他变更。另外，本发明不被实施方式限定。
例如，在上述的实施方式中，在外齿齿轮20中，在树脂材料11中仅含有球状无定形碳12作为碳材料，但也可以不仅将球状无定形碳12也将碳纤维混合于树脂材料11中。球状无定形碳12和碳纤维相对于树脂材料11的混合量是考虑外齿齿轮20的成型性和尺寸精度等而适当选择的。
这样，通过在树脂材料11中不仅混合有球状无定形碳12也混合有碳纤维，树脂材料11中的碳材料的密度提高。与此相伴，能够提高外齿齿轮20的强度，因此进一步提高了外齿齿轮20的耐久性和耐磨损性。
在该结构的情况下，当外齿齿轮20的最表面的树脂材料11伴随着外齿齿轮20的旋转而被磨削时，碳纤维也会与球状无定形碳12一同出现，在这些碳材料与树脂材料11之间产生的间隙15增加，在大量的间隙15内保持有润滑油19。由此，能够进一步提高外齿齿轮20相对于轴7和多个支承销8的滑动性。
另外，在内齿齿轮10中，在树脂材料11中仅混合有碳纤维，但也可以不仅混合有碳纤维也混合有球状的无定形碳。
标号说明
7：轴(第1轴)；10：内齿齿轮；11：树脂材料；12：球状无定形碳(碳材料)；15：间隙；20：外齿齿轮(树脂齿轮)；24：轴插入孔(第1贯通孔)；25：贯通孔(第2贯通孔)；100：小型减速机(齿轮机构)。

Claims (9)

1.一种树脂齿轮，其中，
所述树脂齿轮由树脂材料和碳材料的混合材料构成，所述碳材料是球状的无定形碳。
2.根据权利要求1所述的树脂齿轮，其中，
所述树脂齿轮是外齿齿轮，具有向径向外侧突出的多个外齿和沿轴向贯通的至少一个贯通孔，所述贯通孔是将轴支承为能够旋转的滑动轴承。
3.根据权利要求2所述的树脂齿轮，其中，
所述外齿齿轮是摆线齿轮，具有：
第1贯通孔，其形成于所述外齿齿轮的中央，并且将第1轴支承为能够旋转；以及
第2贯通孔，其在所述第1贯通孔的周围形成有至少一个，并且将第2轴支承为能够旋转。
4.根据权利要求2或3所述的树脂齿轮，其中，
在所述贯通孔内保持有润滑油，在所述贯通孔的内壁面上，在位于表面的所述碳材料与所述树脂材料之间设置有间隙。
5.根据权利要求2至4中的任意一项所述的树脂齿轮，其中，
所述树脂齿轮的外径为12mm以下。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的树脂齿轮，其中，
所述碳材料的平均纵横比为2以下。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的树脂齿轮，其中，
所述树脂齿轮还包含100μm以下的碳纤维，该碳纤维的纵横比为5以上并且15以下。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的树脂齿轮，其中，
所述树脂材料中的所述碳材料的含有率在20重量％～60重量％的范围内。
9.一种齿轮机构，其中，
所述齿轮机构是将权利要求1至8中的任意一项所述的树脂齿轮作为外齿齿轮并且具有配置于所述外齿齿轮的径向外侧的内齿齿轮的齿轮机构，所述内齿齿轮由树脂材料和纤维长为100μm以下的碳纤维的混合材料构成。
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