CN114151531A - 一种用于链条和皮带传动装置的轻量化铝基复合材料传动圆盘 - Google Patents

一种用于链条和皮带传动装置的轻量化铝基复合材料传动圆盘 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于链条和皮带传动装置的轻量化铝基复合材料传动圆盘。其大幅度地减轻传动圆盘的重量，从而使整个链条和皮带传动装置轻量化。还由于本发明所使用的铝基复合材料的比刚性不小于30GPa/g/cm3，比现有金属更高，使得安装有本发明AMC轻量化传动圆盘的链条和皮带传动装置可保持好的传动性能。

Description

一种用于链条和皮带传动装置的轻量化铝基复合材料传动 圆盘
技术领域
本发明涉及链条和皮带传动技术领域，更具体涉及应用于链条和皮带传动装置、尤其是对轻量化要求较高的高性能链条和皮带传动装置中的轻量化铝基复合材料传动圆盘。
背景技术
链条和皮带传动装置是常用的机械传动装置，用于有距离非同轴旋转动力的传输和变速。它们在构造上有一共同特征：包括至少两个传动圆盘由链条圈或皮带圈联合在一起，传动圆盘由内盘和外传动环构成；内盘中心有轴孔，用于安装旋转动力输入或输出轴。对于链条传动装置，外传动环是齿环结构，从而与链条啮合传动，这种用于链条传动的传动圆盘通常称为链盘或链轮。对于皮带传动装置，外传动环是槽形环结构，从而与皮带耦合传动，这种用于皮带传动的传动圆盘通常称为皮带盘或皮带轮。
高性能链条和皮带传动装置的传动性能要求主要体现在以下三方面。一是高传动精度，这要求传动圆盘在传动圆盘中心轴和传动圆盘外环传动力矩的作用下，盘的扭转变形要尽可能的小，也即，要求制备传动圆盘的材料的刚性(Stiffness)要高；而材料的刚性取决于材料的杨氏弹性模量或剪切模量(本说明书使用杨氏弹性模量Young’s Modulus，简称弹性模量)；所以链条和皮带传动装置的零部件通常由弹性模量高的钢铁材料制造。二是对输入转速的速度变化甚至方向的变化的响应时间要短，这要求传动圆盘的转动惯量要小；而圆盘上一转动半径为ri质量为mi的微单元i的转动惯量Ji＝miri 2，即圆盘质量越大，转动惯量也越大；但钢铁材料密度(Density)大，导致传动圆盘很重，转动惯量大。三是轻量化要求，传动圆盘的重量占链条和皮带传动装置的重量的主要部分，传动圆盘的轻量化可大幅降低链条和皮带传动装置重量，对航天、航空、汽车和机器人等安装有链条和皮带传动装置的高性能应用有着重要的意义。
为了降低盘链条和皮带传动装置中传动圆盘的重量，现有技术主要是使用低密度的轻量化材料替代钢铁来制备传动圆盘，主要有下面一些方案。
Watanabe的美国专利US8,707,920B2给出了一种用铝合金制造汽车活塞发动机正时链盘的方法；范保栓的中国专利CN202074006U给出了一种镁铝合金皮带轮的方案；周影等人的中国专利CN204527512U给出了一种摩托车铝合金链轮的方案；杨浩等人的中国专利申请CN112760526A给出了使用粉末冶金法生产铝合金链盘的方法；张晓辉等人的中国专利CN208605596U给出了一种钛合金皮带轮的方案。铝合金、镁合金、钛合金等轻金属的密度约在1.8～4.5g/cm3之间，小于钢铁的密度(约为7.8～8.5g/cm3)，它们的弹性模量(约在45～115Gpa之间)也远小于钢铁的弹性模量(>160Gpa)；计算得知铝合金、镁合金、钛合金等轻金属的比刚性(Specific Stiffness，也即弹性模量除以密度，为材料单位重量的弹性模量)与钢材差不多，约为25±2GPa/g/cm3。材料的刚性是表示材料在受力时抵抗弹性变形的能力，比刚性则是计算单位重量的材料受力时抵抗弹性变形的能力，是用来比较相同重量的不同密度材料在受力时抵抗弹性变形的能力的强弱。当轻金属传动圆盘与钢铁传动圆盘的尺寸(体积)相同，则低密度的轻金属传动圆盘比钢材传动圆盘的重量更轻。但由于这些材料的比刚性相近，则重量轻的轻金属传动圆盘受力时抵抗弹性形变的能力比重的钢铁传动圆盘更低，从而降低了有轻金属传动圆盘链条和皮带传动装置的传动精度。
由上述转动惯量Ji＝miri 2可知，传动圆盘上某一部位的质量对传动圆盘转动惯量的贡献是该部位到传动圆盘旋圆心的距离的平方的指数关系，即外传动环的轻量化，可大幅降低传动圆盘的转动惯量。现在自行车脚蹬链盘有采用刚制内盘与铝合金齿环组合的产品；刚制内盘用于保持链盘的刚性，而轻量化铝合金齿环则用于降低链盘的转动惯量，但是铝合金齿环比刚性低的问题依然存在，而且这种钢铝组合链盘的重量也比全轻金属齿盘更重。为了最大限度的降低自行车链盘外齿环的转动惯量，Chiang的美国专利申请US2004/0092352A1给出了将齿环进一步分为外齿圈和周圈两部分的方案；其中外齿圈是铝合金，外齿圈内的周圈为比铝合金密度更低的非金属复合材料，但这不仅大大地增加了制造成本，并且也没有解决铝合金外齿圈比刚性低的问题。Kleber的美国专利申请U2007/0142149A1则给出了皮带盘外传动环是高刚性的钢铁，内盘是低密度的铝合金或镁合金的方案；这种方法虽然可以降低皮带盘的一些重量，但对降低皮带盘的转动惯量作用很小。
上述这些现有对钢铁制传动圆盘的轻量化技术方案，难以同时兼顾减重和优良传动性能两个方面。因而需要开发出一种轻量化效果显著、又能保持良好传动性能的轻量化传动圆盘。
参考资料：
美国专利和专利申请：US8,707,920B2、US2004/0092352A1、U2007/0142149A1。
中国专利和专利申请：CN202074006U、CN204527512U、CN112760526A、CN208605596U。
其它参考资料：
N.Chawal etc.,Metal Matrix Composites(2nd Edition)，Springer,2013,ISBN-10:1461495474；
赵玉涛等，金属基复合材料，机械工业出版社，2019，ISBN:9787111620389。
发明内容
本发明人研究发现，对传动圆盘进行轻量化之后，为了要保持良好传动性能，必须保证传动圆盘在传动圆盘中心轴和传动圆盘外圈传动力矩的作用下，要尽可能小的产生弹性形变，这就要求轻量化的传动圆盘要比钢铁传动圆盘有更高的比刚性(＝弹性模量÷密度，为材料单位重量的弹性模量)。否则由于材料的比刚性相近，相同尺寸(体积)的轻量化材料代替钢铁传动圆盘，重量虽然更轻，但刚性也下降了，使传动圆盘在传动过程中更容易受传动力的作用产生弹性变形，造成传动性能下降。而常规金属材料包括钛合金、铝合金、镁合金等轻金属的比刚性都和钢铁几乎相同，大约为25±2GPa/g/cm3。所以，使用常规的轻金属材料例如钛合金、铝合金、镁合金等来制备传动圆盘，难以做到既轻量化，又保持好的传动性能。
为了解决用于现有轻量化传动圆盘的轻量化金属比刚性不高于钢铁的比刚性，导致现有轻量化传动圆盘传动性能下降的难题，本发明使用密度约为3g/cm3左右的铝基复合材料(Aluminum Matrix Composite,AMC)制备的AMC传动圆盘。结果表明，其不仅可大幅度地减轻传动圆盘的重量，还由于本发明所使用的AMC具有比现有金属更高的比刚性(不小于30GPa/g/cm3)，使得安装有本发明AMC轻量化传动圆盘的链条和皮带传动装置可保持好的传动性能。
根据本发明的一方面，提供了一种用于链条和皮带传动装置的轻量化铝基复合材料传动圆盘(10)，包括内盘(11)和外传动环(12)，其特征在于：内盘(11)和外传动环(12)中至少之一由轻量化铝基复合材料(AMC)制备，所述铝基复合材料的比刚性不小于30GPa/g/cm3。
根据本发明的实施方案，所述铝基复合材料由铝合金基材和强化相组成。
根据本发明的实施方案，所述强化相材料选自陶瓷粉体、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。
根据本发明的实施方案，所述强化相体积占铝基复合材料的体积比为5～45％，例如10～40％，例如15-25％。
根据本发明的实施方案，所述铝合金基材选自美国铝业协会标准AA中的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金以及8系铝合金。
根据本发明的实施方案，通过粉末冶金法、搅拌熔铸法或原位自生法，由所述铝合金基材和强化相来生产所述铝基复合材料。
根据本发明的实施方案，所述外传动环(12)是齿环。
根据本发明的实施方案，所述外传动环(12)是槽形环。
根据本发明的实施方案，所述的轻量化AMC传动圆盘(10)还包括形成在所述内盘(11)和外传动环(12)中至少之一之中的减重空缺。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方案的AMC传动链条盘100的典型结构立体示意图；
图2为根据本发明的一个实施方案的AMC传动链条盘100的典型结构正视示意图；
图3为根据本发明的另一个实施方案的AMC传动皮带盘200的典型结构的正面和侧剖面示意图。
具体实施方式
根据附图以及下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制本发明。
图1和图2分别为根据本发明的一个实施方案的AMC传动链条盘100的典型结构立体示意图和正视示意图。传动链条盘100是传动圆盘10的一个应用例。传动圆盘10可以由内盘11和外传动环12构成，外传动环12设置在内盘11的外周。对于传动链条盘100，外传动环12为齿环，从而与传动链条或带齿皮带啮合传动。内盘11和齿环12可以是由AMC制备的整体构件，也可以其中之一为AMC构件，另一件为其它材料制备的；内盘11和齿环12两部分可以是一个整体构件，也可以是两个独立部件，二者通过使用螺栓或者铆钉固定在安装孔101上连接在一起，也可通过镶嵌或焊接在一起。也即，内盘11和外传动环12固定连接在一起，整体形成一个固定结构。为了轻量化，内盘和齿环的厚度可以不同，也可以分别分布有内盘减重空缺102和齿环减重空缺103。链条盘内盘和齿环减重空缺的有无、位置和尺寸是根据具体情况进行设计。链条盘100的内盘11的中间形成有安装传动轴的轴孔104。
图3为根据本发明的另一个实施方案的AMC传动皮带盘200的典型结构正面和侧剖面示意图。传动皮带盘200是传动圆盘10的另一个应用例。传动圆盘10由内盘11和外传动环12构成，外传动环12设置在内盘11的外周。对于传动皮带盘200，外传动环12为槽形环，从而与传动皮带耦合传动。内盘11和槽形环12可以是由AMC制备的整体构件，也可以其中之一为AMC构件，另一件为其它材料制备的；内盘11和槽形环12两部分可以是一个整体构件，也可以是两个独立部件，二者通过使用螺栓或者铆钉固定在安装孔201上连接在一起，也可通过镶嵌结合或焊接在一起。也即，内盘11和外传动环12固定连接在一起，整体形成一个固定结构。为了轻量化，内盘和槽形环各处厚度可以不同，也可以分别分布有皮带盘内盘减重空缺202和皮带盘外槽形环减重空缺203。皮带盘内盘和槽形环减重空缺的有无、位置和尺寸是根据具体情况进行设计。皮带盘200的内盘11的中间形成有安装传动轴的轴孔204。
根据图1和图2所示本发明的方案，制备传动圆盘10的铝基复合材料AMC可以由在铝合金基材中加入强化相而制备；其中铝合金基材可根据设计需要，选取不同的铝合金配方，如美国铝业协会(The Aluminum Association,AA)标准的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或8系铝合金等，优选2系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。而强化相可以是不同的陶瓷粉体材料，如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、二硼化钛(TiB2)、碳化钛(TiC)、氧化锆(ZrO2)等陶瓷微粉，也可以是一种以上不同陶瓷粉体的混合。陶瓷粉体的平均粒度可以在0.5～50微米之间，例如1～30微米。AMC中的强化相也可以是陶瓷晶须，如碳化硅晶须(SiC Whisker)、硼化钛晶须(TiB2 Whisker)、硼酸铝晶须(Al18B4O33 Whisker)、钛酸钾晶须(K2Ti6O13 Whisker)、硼酸镁晶须(Mg2B2O5Whisker)等，还可以是陶瓷短纤维，如氧化铝短纤维(Al2O3 ShortFiber)、碳化硅短纤维(SiC Short Fiber)、氧化铝+二氧化硅短纤维(Al2O3+SiO ShortFiber)等；晶须和短纤维的平均直径在0.5～25微米之间，长径比在5～30范围内。强化相还可以是碳纳米管(Carbon nano Tube)和石墨烯。AMC中强化相体积含量在5～45％之间，例如10～40％，例如15-25％。上述AMC可以通过粉末冶金法(其中包括粉末热压成型法、粉末等静压烧结法、粉末喷射成型法和等离子粉末喷射成型法等)以及搅拌熔铸法或原位自生法等来生产，可以优选以粉末冶金法生产。粉末冶金法中，铝合金基材的粉末平均粒径可以为1-60微米，例如2-50微米，例如5-40微米。研究表明，AMC的上述强化相的强度和弹性模量等性能都比铝合金高，将它入铝合金基材中而制备形成的铝基复合材料的性能被强化了，其强们加度和弹性模量比铝合金基材都得到较大的提高。
本发明中的AMC传动圆盘10的毛坯可以通过将AMC经过挤压、锻造或铸造等铝合金成型工艺来制备，然后按照其铝合金基材的热处理要求进行所需的热处理，如T4或T6等热处理，再通过机加工最终成为AMC传动圆盘。
具体实施例
下面以粉末冶金法为例，利用不同的铝合金基材和强化相来制备铝基复合材料AMC。
实施例1
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度32微米，体积比85％)，强化相B4C粉料(平均粒度14微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法(HIP or HVP法)：(1)将AA6061粉料与B4C粉料混合均匀(Mixing and Blending)。其中铝合金粉体可以是通过现有铝合金制成的铝合金粉体，也可以是将该铝合金中各种成分的粉体按照在该铝合金基材中的配比一起与强化相粉体混合，在AMC的烧结过程中形成该铝合金基材。下面各实施例中的铝合金基材的形成也是如此。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中(Canning)，并抽气(Degassing/Evacuation)。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃(低于铝合金基材的熔化温度的，在530～580℃范围，优选540～570℃)，再进行热压成为AMC锭子(Hot Isostatic/Vacuum Pressing)。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料A。
实施例2
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度32微米，体积比75％)，强化相B4C粉料(平均粒度12微米，体积比25％)。
工艺过程，使用粉末等静压烧结法(CIP法)：(1)将AA6061粉料与B4C粉料混合均匀(Mixing and Blending)。(2)将混合均匀的AMC混料装入有出气管的橡胶模具中，在室温下对装有AMC混料的橡胶模具施压，然后去除外层的橡胶模具得到AMC粉锭(Cold IsostaticProcessing)。(3)在真空炉中加热AMC粉锭到指定的AMC烧结温度，550℃，成为AMC锭子，最终制得铝基复合材料B。
实施例3
材料：铝合金AA6082铝锭(平均粒度60微米，体积比95％)，强化相SiC粉料(平均粒度30微米)。
工艺过程，使用喷射成型法(Spray法)：(1)将AA6082锭子熔化后通过粉末喷射装置向下喷出，同时将SiC粉料喷人铝合金粉体中，并控制铝合金粉和SiC粉的体积比例为95％和5％。(2)混合的粉体沉积并凝固在下方的收集装置中，最终制得铝基复合材料C。
实施例4
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度30微米，体积比85％)，强化相SiC粉料(平均粒度4微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与SiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，540℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料D。
实施例5
材料：铝合金AA6092粉料(平均粒度20微米，体积比75％)，强化相SiC粉料(平均粒度6微米，体积比25％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6092粉料与SiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，560℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料E。
实施例6
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度25微米，体积比60％)，强化相SiC粉料(平均粒度12微米，体积比40％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与SiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料F。
实施例7
材料：铝合金AA6092粉料(平均粒度10微米，体积比80％)，强化相Al2O3粉料(平均粒度10微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6092粉料与Al2O3粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料G。
实施例8
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比78％)，强化相ZrO2粉料(平均粒度12微米，体积比22％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与ZrO2粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，570℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料H。
实施例9
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度5微米，体积比80％)，强化相ZrB2粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与ZrB2粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料I。
实施例10
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比80％)，强化相ZrC粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与ZrC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，540℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料J。
实施例11
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度30微米，体积比80％)，强化相TiB2粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与TiB2粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料K。
实施例12
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度40微米，体积比80％)，强化相TiC粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与TiC粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料L。
实施例13
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比80％)，强化相AlN粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与AlN粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料M。
实施例14
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比80％)，强化相Si3N4粉料(平均粒度12微米，体积比20％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与Si3N4粉料混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料N。
实施例15
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比88％)，强化相SiC晶须(平均直径3微米，平均长径比15，体积比12％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与SiC晶须混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料O。
实施例16
材料：铝合金AA6061粉料(平均粒度20微米，体积比90％)，强化相Al2O3短纤维(平均直径13微米，平均长径比20，体积比10％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6061粉料与A l2O3短纤维混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料P。
实施例17
材料：铝合金AA2009粉料(平均粒度15微米，体积比85％)，强化相SiC粉体(平均粒度5微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA6092粉料与SiC粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料Q。
实施例18
材料：铝合金AA2024粉料(平均粒度32微米，体积比75％)，强化相SiC粉体(平均粒度8微米，体积比25％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA2024粉料与SiC粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，560℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料R。
实施例19
材料：铝合金AA7050粉料(平均粒度10微米，体积比85％)，强化相SiC粉体(平均粒度4微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA7050粉料与SiC粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料S。
实施例20
材料：铝合金AA7075粉料(平均粒度25微米，体积比85％)，强化相Al2O3粉体(平均粒度12微米，体积比15％)。
工艺过程，使用粉末热压成型法：(1)将AA7050粉料与Al2O3粉体混合均匀。(2)将混合均匀的AMC混料装入可封闭并带有抽气管的罐式金属模具中，并抽气。(3)加热抽了气的装有AMC混料的罐式模具到指定的AMC烧结温度，550℃，再进行热压成为AMC锭子。(4)去除外层的金属模具后最终制得铝基复合材料T。
铝基复合材料的密度和弹性模量可以通过固体密度测试仪(Solid DensityMeter)和《ASTM E111-17 Standard Test Method for Young’s Modulus,TangentModulus,and Chord Modulus(杨氏弹性模量、正切模量和弦向模量的试验方法)》来测量。AMC的这两个参数也可以通过下列公式进行近似计算：
Pc＝PmVm+PrVr
其中P＝性能(Property)，可以是密度ρ或者弹性模量E；V＝体积比(Volumefraction)；下标c、m和r分别表示为铝基复合材料AMC、铝合金基材和强化相。
表1示出了实施例所得到得A～Q共20种AMC的性能。从表中可看出，实施例的AMC对传动圆盘减重和转动性能至关重要的比刚性(比弹性模量)都在30GPa/g/cm3以上。
表1本发明可选用的部分铝基复合材料的比刚性
Figure BDA0003447999050000141
作为对比，表2列出了高性能传动圆盘常用金属材料45号钢和球墨铸铁的相关性能。表2中还列出常规轻金属，包括铝合金、钛合金、镁合金的密度、弹性模量和比刚性。对比两表可知，本发明AMC的比刚性比常规金属高20～90％。
表2部分金属材料的比刚性
Figure BDA0003447999050000142
这体现出本发明的铝基复合材料，对于传动圆盘链条和皮带传动装置具有好的轻量化综合材料性能优势。使用本发明的轻量化AMC传动圆盘，不仅可有效减轻有传动圆盘链条和皮带传动装置的重量，还由于本发明所使用的AMC具有比现有金属更高的比刚性，使得安装有本发明轻量化AMC传动圆盘的链条和皮带传动装置可保持好的传动性能。
应该理解的是，虽然利用实施例中的材料显示了本发明AMC材料优秀的比刚性，实际可选的AMC材料可以更多。AMC的密度取决于铝合金基材的密度和强化相的密度及铝基体和强化相的体积比，而同一系列的铝合金的密度差别不大；同样，AMC的弹性模量取决于铝合金基材的弹性模量及强化相的弹性模量和铝基体和强化相的体积比，同一系列的铝合金的弹性模量也相差很小；因此可以合理地预期，采用其他合适的铝合金基材以及强化相也可以实现类似的技术效果。
有传动圆盘的链条和皮带传动装置除图1和图2所示的典型结构外，还发展出其它一些构造，如多个传动圆盘叠加在一起的多传动盘等，本发明都可以应用到这些变化的有传动圆盘的链条和皮带传动装置中。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于链条和皮带传动装置的轻量化铝基复合材料传动圆盘(10)，包括内盘(11)和外传动环(12)，其特征在于：内盘(11)和外传动环(12)中至少之一由轻量化铝基复合材料(AMC)制备，所述铝基复合材料的比刚性不小于30GPa/g/cm3。
2.根据权利要求1所述的轻量化AMC传动圆盘(10)，其特征在于，所述铝基复合材料由铝合金基材和强化相组成。
3.根据权利要求2所述的轻量AMC化传动圆盘(10)，其特征在于，所述强化相材料选自陶瓷粉体、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。
4.根据权利要求2所述的轻量化AMC传动圆盘(10)，其特征在于，所述强化相体积占铝基复合材料的体积比为5～45％。
5.根据权利要求2所述的轻量化AMC传动圆盘(10)，其特征在于，所述铝合金基材选自美国铝业协会标准AA中的2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金以及8系铝合金。
6.根据权利要求2所述的轻量AMC传动圆盘(10)，其特征在于，通过粉末冶金法、搅拌熔铸法或原位自生法，由所述铝合金基材和强化相来生产所述铝基复合材料。
7.根据权利要求1所述的轻量化AMC传动圆盘(10)，其特征在于，所述外传动环(12)是齿环。
8.根据权利要求1所述的轻量化AMC传动圆盘(10)，其特征在于，所述外传动环(12)是槽形环。
9.根据权利要求1所述的轻量化AMC传动圆盘(10)，其特征在于，所述的轻量化AMC传动圆盘(10)还包括形成在所述内盘(11)和外传动环(12)中至少之一之中的减重空缺。
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