CN116201872A

CN116201872A - 齿轮及其制造方法和机械设备

Info

Publication number: CN116201872A
Application number: CN202310200782.2A
Authority: CN
Inventors: 朱波
Original assignee: Suzhou Xingbo Power Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Xingbo Power Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-03
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2023-06-02

Abstract

本发明涉及机械设备制造领域，提供了一种齿轮及其的制造方法和机械设备。齿轮，包括轮基以及齿面结构，轮基具有安装面，齿面结构设置于安装面上；安装面设置有第一嵌合齿结构，齿面结构的一面设置有与第一嵌合齿结构相互嵌合的第二嵌合齿结构，齿面结构的另一面设置有用于与另一齿轮啮合的啮合齿结构；轮基的材质为铝合金材质，齿面结构的材质为齿轮钢。齿轮的制造方法，包括选用齿轮钢材料制造得到齿面结构；将齿面结构置于喷射沉积设备的模具中，将融化的铝合金液体喷射在齿面结构的第二嵌合齿结构所在的一侧，使铝合金沉积。机械设备，包括上述齿轮。本发明提供的齿轮，其实现了减重，并且相对于现有的齿轮降低利率传动系统的噪音。

Description

齿轮及其制造方法和机械设备

技术领域

本发明涉及机械设备制造技术领域，具体而言，涉及一种齿轮及其制造方法和机械设备。

背景技术

随着运载机构轻量化的趋势愈发明显，传动系统的重量在轻量化方面更加凸显，在电动车甚至带旋翼的飞行汽车和直升机上，传动系统由于其工作环境恶劣，传动扭矩大，转速高，一直是采用高硬度高强度的齿轮钢。

由于齿面对耐磨、耐温和强度的要求，传动系统的齿轮材料一直得不到轻量化的改善，因此传动系统的轻量化工作也一直止步不前，在运载机构轻量化的工作中，基本属于不被重视也很难突破的领域。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种齿轮及其的制造方法和机械设备，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种齿轮，包括轮基以及齿面结构，轮基具有安装面，齿面结构设置于安装面上；

安装面设置有第一嵌合齿结构，齿面结构的一面设置有与第一嵌合齿结构相互嵌合的第二嵌合齿结构，齿面结构的另一面设置有用于与另一齿轮啮合的啮合齿结构；

轮基的材质为铝合金材质，齿面结构的材质为齿轮钢。

在可选的实施方式中，齿轮为圆柱齿轮或锥齿轮。

在可选的实施方式中，第一嵌合齿结构的每一个齿均呈齿头尺寸大于齿尾尺寸的形状，第二嵌合齿结构的每一个齿也均呈齿头尺寸大于齿尾尺寸的形状；

第一嵌合齿结构的每一个齿均正好嵌入第二嵌合齿结构的相邻两个齿之间，第二嵌合齿结构的每一个齿均正好嵌入第一嵌合齿结构的相邻两个齿之间；

优选地，第二嵌合齿结构的齿数小于或等于啮合齿结构的齿数。

在可选的实施方式中，铝合金材质为高强铝合金；

优选地，所述铝合金材质为喷射沉积的7000系或和2000系铝合金材料；

优选地，所述铝合金材质为含有0.05～0.3wt％稀土元素的合金，所述稀土元素为铒和钪中至少一种；

优选地，所述齿轮钢为40Cr、42CrMo或35CrMo。

在可选的实施方式中，还包括特征(1)～(4)中至少一种；

(1)铝合金材质为7075系列的喷射沉积铝合金材料，且含有质量占比为0.8～1.2％的Ni和Zr中至少一种；

(2)铝合金材质含有质量占比为0.03-10％的Fe；

(4)铝合金材质含有质量占比0.5～3％的Li；

(4)铝合金材质含有质量占比为10～30％的SiC。

第二方面，本发明提供如前述实施方式任一项的齿轮的制造方法，包括：

选用齿轮钢材料制造得到具有第二嵌合齿结构的齿面结构坯料；

将齿面结构坯料置于喷射沉积设备的模具中，将融化的铝合金液体沉积在齿面结构的第二嵌合齿结构所在的一侧得到齿轮坯料；

将齿轮坯料进行机加工，在齿面结构坯料相对于第二嵌合齿结构的一面加工出啮合齿结构形成齿面结构。

在可选的实施方式中，采用加压或者高速惰性气体侧面喷嘴喷射的方式在齿面结构的第二嵌合齿结构所在的一侧沉积铝合金。

在可选的实施方式中，在对齿轮坯料进行机加工之前还包括对齿轮坯料的铝合金部分进行模锻，模锻的方式为：将齿轮坯料加热至400～500℃进行模锻。

第三方面，本发明提供一种机械设备，包括如前述实施方式任一项的齿轮或如前述实施方式任一项的制造方法制得的齿轮。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本发明提供的齿轮，由于其由铝合金材质的轮基和齿轮钢材质的齿面结构构成，齿面结构仍旧采用齿轮钢材质制成，其具有高硬度、高强度和高耐磨性以确保能承受齿轮传动过程中的啮合和传递扭矩的冲击，而轮基采用铝合金制成，铝合金材质质轻，能实现齿轮减重50％以上甚至更多，并且，由于铝合金的阻尼系数大于齿轮用高硬度钢材，在整个传动过程中起到了减震降低冲击的效果，降低了传动系统的噪音，提升了工作平顺性。此外，第一嵌合齿结构和第二嵌合齿结构的相互嵌合设计，能避免齿轮运行过程中齿面结构和轮基相互脱离，提高两者连接的牢固性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请第一实施例提供的圆柱齿轮的结构示意图；

图2为图1中A区域的放大图；

图3为第一实施例中提供的制造方法在制造过程中制得的齿轮坯料的结构示意图；

图4为本申请第二实施例提供的锥齿轮的结构示意图。

图标：100-齿轮；100a-齿轮坯料；110-轮基；111-第一嵌合齿结构；112-齿头；113-齿尾；130-齿面结构；131-第二嵌合齿结构；132-啮合齿结构；140-齿面结构坯料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

第一实施例

请参考图1，本实施例提供了一种齿轮100，包括轮基110以及齿面结构130，轮基110具有安装面，齿面结构130设置于安装面上；

安装面设置有第一嵌合齿结构111，齿面结构130的一面设置有与第一嵌合齿结构111相互嵌合的第二嵌合齿结构131，齿面结构130的另一面设置有用于与另一齿轮100啮合的啮合齿结构132；

轮基110的材质为铝合金材质，齿面结构130的材质为齿轮100钢。

本申请实施例提供的齿轮100轮基110主要起到支撑作用，齿面结构130主要起到提供与另一齿轮100啮合以及传递扭矩的冲击作用，该齿轮100由于齿面结构130仍旧采用齿轮100钢材质制成，其具有高硬度、高强度和高耐磨性，能保证齿轮100的使用性能，由于轮基110采用铝合金制成，铝合金材质质轻，能实现齿轮100减重50％以上甚至更多，并且，由于铝合金的阻尼系数大于齿轮100用高硬度钢材，在整个传动过程中起到了减震降低冲击的效果，降低了传动系统的噪音，提升了工作平顺性。此外，第一嵌合齿结构111和第二嵌合齿结构131的相互嵌合设计，能避免齿轮100运行过程中齿面结构130和轮基110相互脱离，提高两者连接的牢固性。

优选地，如图2所示，图中指示为第一嵌合齿结构111的具体结构，第一嵌合齿结构111的每一个齿均呈齿头112尺寸大于齿尾113尺寸的形状，第二嵌合齿结构131的每一个齿也均呈齿头尺寸大于齿尾尺寸的形状；

第一嵌合齿结构111的每一个齿均正好嵌入第二嵌合齿结构131的相邻两个齿之间，第二嵌合齿结构131的每一个齿均正好嵌入第一嵌合齿结构111的相邻两个齿之间。

每个齿的齿头112尺寸大于齿尾113尺寸的形状设计使得第一嵌合齿结构111和第二嵌合齿结构131相互嵌合后呈现倒扣状态，在齿轮100传动过程中，齿面结构130和轮基110更不易相互脱离。

优选地，第二嵌合齿结构131的齿数小于或等于啮合齿结构132的齿数。

倒扣的齿数(第一或第二嵌合齿结构131的齿数)可以根据齿轮100的大小，工作状态、应力分布来设计。最佳的结构是越密集越好，齿数越多越好，但考虑到工艺的难度和生产成本，以及本身倒扣也需要承受一定的强度，因此倒扣齿数小于等于啮合齿结构132的齿数。

优选地，述齿轮100钢为常规的40Cr、42CrMo或35CrMo。

优选地，铝合金材质为高强铝合金材质，例如喷射沉积的7000系或和2000系铝合金材料；或者，铝合金材质的成分中添加有0.05～0.3wt％稀土元素，该稀土元素为铒和钪中至少一种。

进一步地，为使得轮基110具有更高的强度，铝合金材质为7075系列的喷射沉积铝合金材料，且含有质量占比为0.8～1.2％的Ni和Zr中至少一种。

进一步地，为使得轮基110具有更好的高温耐久性，铝合金材质含有质量占比为0.03-10％的Fe。

进一步地，为使得轮基110具有更低的密度，铝合金材质含有质量占比0.5～3％的Li；

进一步地，为使得轮基110具有更高的强度，铝合金材质含有质量占比为10～30％的SiC。

进一步地，本实施例提供的齿轮100为圆柱齿轮100。该圆柱齿轮100结构例如可以为：轮基110为圆柱形或圆盘形，安装面为轮基110的外周面，第一嵌合齿结构111设置于轮基110的外周面上，齿面结构130为环形，第二嵌合齿结构131设置于齿面结构130的内周面，啮合齿结构132设置于齿面结构130的外周面。

本实施例还提供了一种齿轮100的制造方法，包括：

选用齿轮钢材料制造得到具有第二嵌合齿结构131的齿面结构坯料140；

将齿面结构坯料140置于喷射沉积设备的模具中，将融化的铝合金液体沉积在齿面结构130的第二嵌合齿结构131所在的一侧得到齿轮坯料100a；

将齿轮坯料100a进行机加工，在齿面结构坯料140与第二啮合齿结构131相对的一面(本实施例中为其圆周面)加工出啮合齿结构132形成齿面结构130。

具体为：

a.首先进行齿面结构坯料140的生产，根据传动负荷需求，选用对应的齿轮钢材料，采用轧制或者锻造工艺，并进行热处理。由于所需齿面结构130是薄壁环件(圆柱齿轮100)或者盘件(锥齿轮100)，因此在加工工艺上，更容易实现淬透性，减少了调质截面，更容易生产出性能和晶粒细化稳定的齿轮100齿面。

该齿面结构坯料140是仅具有第二嵌合齿结构131而不具有啮合齿结构132的圆环形结构，之所以不预先加工出啮合齿结构132，原因在于后续需要进行铝合金部分的变形及热处理等工序，若提前加工出啮合齿结构132，在后续处理过程中可能会导致结构变形。

b.将生产好的齿面结构坯料140放入喷射沉积设备的模具中，模具内部有冷却液流动通道，可以对齿面零件进行冷却，并使得沉积在上面的铝合金喷射液滴或雾滴形成冷却效果，从而进一步提升获得的喷射沉积冷却铝合金的性能。

c.喷射沉积设备将融化的铝合金液体(700-900℃)，通过加压或者高速惰性气体侧面喷嘴喷射的方式，雾化喷射在齿面结构130设置有第二嵌合齿结构131的一侧，使之沉积得到如图3所示齿轮坯料100a。

d.在齿轮坯料100a完全形成之后，将其取出加热到400-500℃对铝合金部分进行模锻，使铝合金部分变形并压实，从而进一步提升铝合金的韧性和细化晶粒。

e.将模锻后的齿轮100坯料进行机加，在齿面结构坯料140上加工出啮合齿结构132，在铝合金部分加工出轮辐得到如图1所示的结构，齿面结构130可根据需要可再进行相关表面处理。

第二实施例

本实施例与第一实施例结构及实现原理基本相同，不同之处仅在于：如图4所示，本实施例提供一种锥齿轮100，其具体结构例如可以为：

轮基110为具有锥面的圆盘形，安装面为轮基110的锥面，第一嵌合齿结构111设置于轮基110的锥面上，齿面结构130为锥形，具有内锥面和外锥面，第二嵌合齿结构131设置于内锥面上，啮合齿结构132设置于外锥面上。

需要说明的是，本申请实施例虽然仅例举了两种齿轮结构(圆柱齿轮和锥齿轮)，但并不代表本申请提供的齿轮结构仅适用于这两种齿轮，本申请提供的齿轮结构适用于各种类型的齿轮。

下面提供相同尺寸齿轮现有技术与本申请技术方案的重量对比。

综上，本申请实施例提供的齿轮100由于其由铝合金材质的轮基110和齿轮100钢材质的齿面结构130构成，齿面结构130仍旧采用齿轮100钢材质制成，其具有高硬度、高强度和高耐磨性以确保能承受齿轮100传动过程中的啮合和传递扭矩的冲击，而轮基110采用铝合金制成，铝合金材质质轻，能实现齿轮100减重50％以上甚至更多，并且，由于铝合金的阻尼系数大于齿轮100用高硬度钢材，在整个传动过程中起到了减震降低冲击的效果，降低了传动系统的噪音，提升了工作平顺性。此外，第一嵌合齿结构111和第二嵌合齿结构131的相互嵌合设计，能避免齿轮100运行过程中齿面结构130和轮基110相互脱离，提高两者连接的牢固性。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种齿轮，其特征在于，包括轮基以及齿面结构，所述轮基具有安装面，所述齿面结构设置于所述安装面上；

所述安装面设置有第一嵌合齿结构，所述齿面结构的一面设置有与所述第一嵌合齿结构相互嵌合的第二嵌合齿结构，所述齿面结构的另一面设置有用于与另一齿轮啮合的啮合齿结构；

所述轮基的材质为铝合金材质，所述齿面结构的材质为齿轮钢。

2.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮为圆柱齿轮或锥齿轮。

3.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述第一嵌合齿结构的每一个齿均呈齿头尺寸大于齿尾尺寸的形状，第二嵌合齿结构的每一个齿也均呈齿头尺寸大于齿尾尺寸的形状；

所述第一嵌合齿结构的每一个齿均正好嵌入所述第二嵌合齿结构的相邻两个齿之间，所述第二嵌合齿结构的每一个齿均正好嵌入所述第一嵌合齿结构的相邻两个齿之间。

4.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述第二嵌合齿结构的齿数小于或等于啮合齿结构的齿数。

5.根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于，所述铝合金材质为高强铝合金；

优选地，所述齿轮钢为40Cr、42CrMo或35CrMo。

6.根据权利要求4所述的齿轮，其特征在于，还包括特征(1)～(4)中至少一种；

(1)所述铝合金材质为7075系列的喷射沉积铝合金材料，且含有质量占比为0.8～1.2％的Ni和Zr中至少一种；

(2)所述铝合金材质含有质量占比为0.03-10％的Fe；

(4)所述铝合金材质含有质量占比0.5～3％的Li；

(4)所述铝合金材质含有质量占比为10～30％的SiC。

7.如权利要求1～6任一项所述的齿轮的制造方法，其特征在于，包括：

将所述齿面结构坯料置于喷射沉积设备的模具中，将融化的铝合金液体沉积在所述齿面结构坯料的第二嵌合齿结构所在的一侧得到齿轮坯料；

将所述齿轮坯料进行机加工，在所述齿面结构坯料相对于所述第二嵌合齿结构的一面加工出所述啮合齿结构形成所述齿面结构。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，采用加压或者高速惰性气体侧面喷嘴喷射的方式在所述齿面结构的第二嵌合齿结构所在的一侧沉积铝合金。

9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，铝合金沉积后得到齿轮坯料，铝合金沉积后还包括：

将所述齿轮坯料进行机加工，在铝合金材料部分加工出轮辐形成轮基；

优选地，在对所述齿轮坯料进行机加工之前还包括对所述齿轮坯料的铝合金部分进行模锻，模锻的方式为：将所述齿轮坯料加热至400～500℃进行模锻。

10.一种机械设备，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的齿轮或如权利要求7～9任一项所述的制造方法制得的齿轮。