TW448083B - Method for making composite material gears and product therefrom - Google Patents

Description

48 083 五、發明說明（1) 〔發明背景〕 產業之利用領域： 本案「複合材料齒輪之製法與其製成」與一種泛用之 機械元件齒輪有關，特別指一種利用複合材料成型之齒論 .有關。本案揭示此=輪之成型方法與其製成品，總的而 言’係利用複：=;輕、強度高的特性取代傳統的金 屬材料齒輪二：ί产：輕重量同時也兼顧強度之設計考 普遍的磨耗與傳動性不足問^ 本案也有效解決非金屬 習知技藝： 齒輪元件應用範圍廣泛， 其迴轉運動均有賴齒輪有致率想像得到機械或機構， 的-般理論例如其設計考慮、。3性達成。關於#輪 製圖方法在普通之教材如機械G方料選用，甚至 到，並且在大專院校之機械工程科系=工法等都可見 般習於此項技藝人士均可輕易取得？：為標準課程，— 相景、資訊夕卜，不做額外的討論，以a與基本 一十一條充分揭露之法定要件。 付5專利法第 齒輪之設計與應用可說相當標準化， 至可以說相當成熟。其中疲勞破 某些觀點下甚 ^磨知大約是齒輪面臨 第4頁 448083 五、發明說明（2) 之重大問題，是故，在加工與熱處理方面均有相當之研究 ，同時也累積不少實際之製造與應用經驗。其中齒輪承受 扭轉作用時齒輪的應力及強度，以及輪齒在負荷或疲勞情 形下發生斷裂的可能性可見於一般之教材，提供相當完備 之理論基礎與經驗公式。至於磨損或表面磨耗係由於表面 承受多次的反覆接觸應力下造成，同時也有許多研究提供 相當完整的報告，同時也有許多加工方法被提出。 習用之金屬齒輪如第一圖所示，係包括一齒輪本體（1 0)具有齒形外環（11)以供另一齒輪相契合旋轉，而本體中 心係一個通孔（1 2 )，該齒輪本體之通孔可以接受一扭力施 力，以傳達齒輪機構之軸心馬力。 本發明欲解決的課題： 有鑑於習知齒輪一般皆用金屬製造而成，對於運輸工 業長時間使用而造成燃料耗損與搬運不便，但複合材料具 有優良的強度與重量比和方向可控制性正符合解決金屬材 料缺失問題之一切要件。 按，複合材料應用工業設計及製造上之用途漸漸被廣 泛應用，例如交通運輸、飛行器甚至民生用品等各方案。 由以往厚重之鋼材被質輕且堅韌之複合材料所取代，其理 由不外乎是複合材料具有纖維方向的高強度，使得結構體

第5頁 4 48 0 8 3 五、發明說明（3) 達到最輕的重量，另一方面是對設計者有較大設計變數空 間、’如纖維角度疊層排列方向及疊層厚度，以力求整體結 構最佳化。常見的複合材料系統有石墨纖維、Kev丨訂（ 標名）、硼纖維（B〇ron)等均具有特定的成 用範圍、然而其分析方法、理論基礎均相類似。因此1 # i W]用高強度之纖維⑴b e r )與依適备比例以膠質（Matrix)充填的各種系統。 傳 如齡樹 已成功 輪可滿 長耐磨t 具有以 具有嵩 大為改 些非金 細評估 統上， 脂等材 地被開 足設計 壽命、 上多項 強度及 善磨擦 屬或具 齒輪通 料製成 發出來 者對各 操作之 設計要 低成本 及磨損 有重量 $利用鋼、轉鐵、青銅 。最近如尼龍、鐵福龍 不同的材料與加工^ g ，特殊情況下的要求， 安靜或高可靠度的要求 點的材料卻不易找到， 卸有重量上的問題； 的優勢，卻不利於強度 優點，卻在磨耗與強度 或高分子材料 及燒結合金均 擇用來製造齒 例如高強度、 等。然而同時 典型而言，鋼 又如，青銅有 與重量。而某 取拾下必須仔 昔用技術或是具有μ 用範圍的如公告第一九述部知^ 或是僅有局部的應 利用射出成型或鎮造而形士一M輪」揭示一種齒輪 外周面上，圓周方向相^成一…’主要在齒輪基板之 相互錯開並列設置有一對具有相同圓 周齒距且平行於軸方向< 齒條的齒列，以達到增進傳動效

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率之功效。 又如公告第一七九七一五號「模製齒輪」揭示一種才“ 製齒輪樹脂組成物之技術手段，採用實質上直鏈狀聚大= 基硫化物樹脂及無機填充料於模具中成型之技術，其^芳 在材料之選定而一體於模具中成型，類似的技術面臨的， 輪齒接觸之磨損問題，同時雖然解決重量問題，其強度7 強度與重量比卻是另一嚴重的問題。 & s 本發明解決課題所採取手段： 依據本發明之一種複合材料齒輪之製法與其製成，主 要在於利用複合材料之質輕與高強度，同時考慮磨耗問 ，復利用金屬嵌合元件將金屬輪齒外環與非金屬之複人 料有效結合，使其同時具有高強度、耐磨耗與重量輕等 多優點，以達到傳統運輸工業輕量化及節省成本為目的=。 本發明主要特徵在於： 依據本發明之一種複合材料齒輪之製法與其製成，其 主要目的在提供一種利用複合材料與金屬材料之嵌合i ^ 效解決齒輪重量、強度與耐磨性等問題。

«Μ 第7頁 448 0 83 五、發明說明（5) 本發明之次要目的，在提供一種將金屬與複合材料嵌 合之裝置’應用於齒輪上’有效利用金屬與複合材料各別 之特性。 又’本發明其它目的，將由以下實施例說明並輔以圖 示說明而變得明顯，主要精神在利用短纖糰料與金屬嵌合 介面充分結合’同時利用長纖角度排列方向之最佳化設計 ’進一步得到質輕強度高之結構體，充分發揮複合材料之 優異特性。至於其它之齒輪設計其未脫離本發明範圍與精 神，典型如嵌合介面外形、複合材料之種類或混合比例， 成型溫度、尺寸等均應被解釋為本發明範圍中。其中， 圖示部份： 第一圖 第二圖 係習用之一種齒輪示意圖； 係依據本發明之一種複合材料齒輪之組合圖

係依據本發明之一 狀局部不意圖； 種複合材料齒輪之齒環形 第 四 圖 係 依 據 本 發 明 之 —種 複 合 材 料 齒 料 本 體 局 部 示 意 圖； 第 五 圖 係 依 據 本 發 明 之 一種 複 合 材 料 齒 面 環 局 部 示 意 圖 J 第 —Y . 圖 係 依 據 本 發 明 之 一種 複 合 材 料 齒 之複合材 之嵌合介 之生產模

448083 五、發明說明（6) 具示意圖； 第七圖 係依據本發明之一種複合材料齒輪之製程典 型溫壓圖； 第八圖 係依據本發明之一種複合材料齒輪之製作步 驟流程圖； 第九圖 係依據本發明之一種複合材料齒輪之破裂強 度與時間及扭轉角度數據圖； 第十圖 係依據本發明之一種複合材料齒輪之扭轉破 裂不意圖。 圖號部份： 10 齒輪本體 11 齒形外環 12 通孔 20 齒環 21 齒部 2 2 凸起部 23 角部 30 複合材料充填部 31 短纖部 3 2 長纖部

第9頁 448083 五、發明說明（7) 33 短纖部 4 0 嵌合介面環 41 凸起部 42 角部 43 軸孔 44 鍵槽 W1 肉厚 W2 肉厚 A 上模 ’ B 中模 C 下模 5 封環 P 凸柱 - [發明詳細說明] 首先，請參考第二圖，係根據本發明之一種複合材料 齒輪，基本上，包括一齒輪外圍之齒環（20)，一嵌合介面 環（4 0 )，及複合材料充填部（3 0 )設於齒環與介面環間，而 形成一完整之齒輪構成。主要在利用金屬材料之齒環與嵌 合介面環忍受強大之接觸應力或扭轉應力，同時用複合材

第10頁 448083 五、發明說明（8) 料取代中間大 利用金屬 優勢，幾乎可 與高強度，同 成為可能。典 理而得到極佳 青銅，則又可 料優異的強度 解決單純使用 限制 邠分的金屬部分， 與複合材料嵌合的 以同時運用金屬之 時配合複合材料之 型地，例如金屬採 之表面硬度，而得 有效改善磨擦及磨 與重量比，更可以 金屬材料之問題，

而實質地減輕重量。 技術具有相當之材料選擇 耐磨耗與複合材料之質輕 纖維排列使得最佳化設計 用鋼料，則可以予以熱處 到長耐磨壽命；又如採用 損的問題。而配合複合材 達到各式設計要求，實質 也避免現有非金屬材料之 齒環（2 0 )之結構如第二圖所-盥凸刼邱弟—圖所不，進一步包括齒部（21) 4(22)，類似一同心環在外 设什原則而可以為擺線齒型 輪 為20或其它.而免㈤θ上 &刀角之考慮也可以 ，使得其角部⑻）約略突出而具有嵌合作用”之：起f 合材料接觸而達到互相卡止或互崁的功能。允5斗其與複 複合材料充填部（30)結構如第四圖所示， 環與叙合介面環間，取代金屬材料之大部份f要設於， 供優越的強度。複合材料的機械性質與各式里，同時提 於各教材中，例如Gibson氏著作Principes =系統可見

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第1.1頁 448 08 3 五、發明說明（9) ------ =論與應用討論。簡單而言’複合材料有長纖與 可ίΐ二Ϊ，長纖大約可分為預浸樹脂式或乾式，長纖也 〇方二二ί而事先預設排列角度而以不同編織方式製成成 : 。又短纖維切成一寸或數寸之長度混合樹脂， R \ ^例混合而成不同的商品，習慣上稱為短纖糰料（ ' 並且以均質或等向性的#料做處理。 利用Ϊ if料除？越的強度與重量比外，7 -重要特性， 而設計成為；：得=ί ί的負載分佈，亦即使最佳化狀態 -步表考I:: ·!則必須採用長纖材料來達成。復請進 ，在靠近，’環與介面環間之複合材料充填部(3。) 別填入短i Μ Ϊ ^側之凸起與該介面環外側之凸起間先分 件號(31)、(33)表示。在兩短纖間 寬，如捲尺般將金屬為長條狀以齒輪厚度為 置於齒環内側，禮利用4- ^與稍許紐纖材料一起捲成一團 布之間以達到固定之ΐί:材料做填塞於齒環内側與長纖 的好處，Ϊ 利用長纖布的作法有明顯 。本例中，』===求維疊層排列方向 ，其強大的接觸應力由齒環(2〇;二口 2輪受扭轉應力 轉 ϊ::長；稱 角度排列亦是二到長 448 08 3

不會影響本發明探討之適用性及其發 明 基本内涵 嵌合介面環（40)之結構如第五圖所示，主 ♦ 齒輪固定到齒輪軸（圓未示出） ,, 疋使正月且 ⑷)與鍵槽⑼僅係範：：匕如則定義一軸孔 二主要在外環設有與複合材料嵌合之凸 起4(41)，其間具有約略向外凸出的 與複合材料接觸而互相卡止。 丨允夺；丨面％ 本案所指的複合材料並夫锻_總凝^ # 例做限制，其主要精神在 纖之=以或混合比 料上形成之鳩尾槽或類似卡 之深入金屬材 言，裔環之㈣供最佳化的可能。以實例而 槽與嵌合介面環（40)外if & + ί部（22)間形成類似的鳩尾 入各細縫或槽:由於短纖實質上可藉壓力填 環與介面環連結而形成^齒=之溫壓處理後固化即使該齒 份之傳統金屬材料之重旦輪體。此時複合材料取代大部 料之特性。值得注意的ί，同時又可有效運用各該金屬材 相同的材料，而以‘意=丄，時齒環與介面環不一定要是 性設計。又若，複合材料二或依需求而採用各該材料之特 則幾乎任何可用之工程材=用在室溫下固化成型的系統， 屬材料，至於固化溫度與=均可使用而不限制只能使用金 力一般而言，溫度越高成型固

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五、發明說明αι) 化時間越短，只要在材料不至焦壞的程度，這個準則 適用。依不同系統之要求，可以從室溫至2〇〇它左右 成型，而比較理想的溫度，以模造法而言約為i 50它70 °c ，此點稍後再進一步說明。 本案之構成至此已相當清楚地揭露，接下去探討其成 型之方法，特別是以溫度壓力來做說明。請參考第六與第 七圖，本發之成型模具與典型溫度與壓力圖。

第六圖係模具之示意圖’詳細之模具製作知識與經驗J 在模具製造商方面均可取得’主要做定位與限制齒環（2 〇 ) 之作用’可為上、中模，以A、B表示及下模c用來限制嵌 合介面環（40)。置入下模固定突柱P上，接著中間模同時 蓋上並置入齒環（20)，此時可塞入短.纖或者是先塞入短纖 於各該角部即（2 3 )、（ 4 2 ) ’復將嵌合介面環（4 〇 )外側捲入 長纖部即（3 2 )，壓、塞後約略小於中間模所定義之内徑， 因此當上模壓入時可將複材強迫壓緊保持成型壓力。^當 上模壓入時上模與下模約在中心部位並不直接接觸而以^ 大的圖示間隙表示，如此可確保複材岣勻受到模具之夹取 力。值得說明的是上、下模具間可置放一防漏封is防止一

膠質流入齒環之齒部（21 )間，而封環以能忍受成形之溫度 較佳。 恤X 第七圖指出模具送入熱壓機之溫壓圖。使闬熱壓機生

第14頁 448 08 3 五、發明說明（12) 產只是一.種選擇’具使用之材料也不被限制。以本實施例 而言’採用石墨碳纖維，首先可將模具預熱至約1 7 0。{：並 將模具置於熱3Okg/cm2之溫度與壓力下保持約7分鐘使石 墨碳纖維與環氧樹脂充分固化。 由以上探討可知，本案之首要精神在一種利用複合材 料取代傳統材料的方法與製成。主要，但不限制，利用昔 用材料（例如金屬）之耐磨耗，衝擊之特性，結合複合材料 質輕向強度的特性’利用最佳化方法而得到各種组合之役 計要求。又，本案利用齒環（2〇)與嵌合介面環（4〇)形成: 凸起部有效結合不同材料，其它之凸起變形，表面凹凸 糙度，材料選用等等均未脫離其精神内涵應是 ^ 構成或構思。 ^ 本發明另一特徵為本發明之生產步聚，請來 製作步驟之流程圖，首先準備齒輪之模具，—八八圖 、下模，複雜之幾何造型可進一步區分為上中刀上模 其它方式來克服，而模具材料可使用中碳模具二=模或 材，一般習於此項技藝人士皆可輕易解決，屬=或類似鋼 域而不在本發明之發明精神之中不多加插述。复j具之領 述之齒ί哀置於模具中，將短纖維與長纖維二人，將上 環外侧並將其外側整個包圍起來’如此複合杜2耿合介面 具内，由於短纖具有良好的成型特質可充&令；斗充滿於模 及長纖布外圍達到結合確實，沒有脫離入回環内側 問喊。另以長纖

_ 448 08ci 五、發明說明（13) 維做進一步設計，發揮複合材料之方向可控制性；根據發 明人之長期學術研究結果利用N s t r a n軟體及最佳化設計原 理研究其長纖疊層為對稱或反對稱排列且短纖（3丨）與長纖 (3 2)寬比約為2左右，則其纖維最佳排列角度為[± 〇 ] ， 可承受扭力矩或彎曲矩達到最大。下一步放置複材之模具 置於熱壓機下’熱壓之時間與溫度配合方式如第七圖所示 ，以本發明所示之實施例所採用之石墨碳纖維與環氧樹脂 而言’必須先將模具預熱到約！ 7〇。(：並將模具置於約為3〇 Kg/cm2之溫度與壓力下保持約7分鐘使石墨碳纖維與環氧 樹脂充分固化（cured)，其中長纖與短纖層充填包圍齒環 及嵌合介面環各一侧。固化成型後即可將複合材料齒輪自 模具中取出’如果有必要可做拋光的工作’去除可能的毛 邊’最後得到成品。 製作本發明複合材料齒輪方法，係包括下列步驟； 〔a )備置成型之模具，模具中至少分為兩部且結合後 模内定義有預設有約略與上述齒輪外型相當之模 穴’以便定位與成型； (b )將齒環置於該模具中，使該齒環内側、嵌合介面 環外側施以喷砂及塗架橋助劑並與複合材料短 糰料嵌合； (c )將長纖之最佳化交叉排列角度[± Θ ] ns，充填包 圍上述之金屬歲合介面環一側且沿著其外侧壁圍

!隨,

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實驗結果： 複合材料與傳統鋼鐵材料之機械性質均 部份的材料手冊都可得知。而兩種材料之結合，:，在大 用在本發明中之複材與鋼材結合，其強度^丄寺別是應 如何則需要更進一步求證。 ^ s力之效果 第九圖係扭力實驗機測試本複合材料齒輪 時間及扭轉角度數據圖，其中橫座標代表時間或==度與 ’ H標代表扭矩強度。由圖中可清楚知道，當^ 角度 轉角度增加’其相對扭矩負載也增加，而其趨^乃，或扭 金屬延性材料之表現。本實驗之扭轉破壞強度由圖 生在53.478Kg-M，相對其扭轉破壞角度是15 8户 知毛 十圖實際扭轉破壞現象，得知金屬凸柱P先行扭f °由第 材本體（30)與金屬嵌合介面環（40)之接合處依缺丄而複 …》元好

第17頁 448083 發明說明 初，並無破壞現象。因此，我們可以預期複合材料本體與 金屬結合之破壞強度或本身複合材料充填部（3〇 )之強度 ’运超過目如所測出之金屬凸柱破壞強度（5 4 7 8 κ g _ M) ，而本實驗金屬凸柱之材料是中碳鋼且經過熱處理及回火 處理所得之特性。 由以上討論可知，依據本發明之齒輪製作中之複合材 料與金屬材料之嵌合，實質上比傳統之合參鋼強度更大’ 重量更可減輕70%左右，甚至可達到航空級規格。 本案有效解決昔用之材料設計限制，其實施步驟與構 成均已說明清楚充分揭露’習於此項技藝乂 士均玎揭以實 施，應是符合產業利用之專利要件。又本箨未具於刊物’ 且實質提供解決昔用問題之，技術手段，在此一領域中開 創一新而實用之技術方法，應是完全符合I利法之各項要 件，依法提出申請，懇請貴審查委員明察，旅祈早曰賜准 專利，俾嘉惠社會，實感德便。

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Claims (1)

1. 448083 六、申請專利範圍 1. 一種「複合材料齒輪之製法與其製成」，該齒輪組成係 包括： 齒環（2 0 )，約略為同心圓環狀元件具有一徑向均勻對稱 厚度（W1)，在外圈具有一複數齒，實質供傳動之用，及 一複數凸起定義於該齒環内圈，而具有嵌合之功能；

   嵌合介面環（40 )，亦呈同心環狀且具有一徑向均勻對稱 厚度（W2)，而置於該齒環同心内部，其外側具有一複數 凸起，内側則定義有與傳動軸相接之軸孔；及 複合材料充填部(3 0 )，置於該齒環與介面環之間； 藉由上述組合，可將同質，特別是異質之材料特性結合 在一起，可有效減輕齒輪的重量及達到要求之強度。 2. —種「複合材料齒輪之製法與其製成」，該齒輪製法包 括下列步驟： (a)備置成型之模具，模具中至少分為兩部且結合後 模内定義有預設有約略與上述齒輪外型相當之模 穴，以便定位與成型； (b ) 將齒環置於該模具中，使該齒環内側、嵌合介面

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   ，外側施以噴砂及塗架橋助劑並與複 糰料嵌合； σ柯枓紐纖 (c 將長纖之最佳化交又排列角度[士 0 ] 圍上述之金屬嵌合介面環一側且沿著其充=二 成—圈，並置入下模固定突柱卩上，扩、則土圍 充填於齒環内側與長纖預浸布中間部：纖 為纖維排列走向’ n s為對稱層數； 、 (己）將模具置於複合材料固化（Cured)條件下之π产 、壓力與時間下成型（第七圖所示）； ’孤又 .一· (e)熱壓成型後，自模具取出得同質，特別是異質之 材料特性結合在一起之複合材料齒輪表面拋光增 加美觀。 3. 根據專利申請範圍第一項之—種「複合材料齒輪之製法 $其製成」，其中該凸起部間具有角部（2 3 )或（4 2 ) ，使 得凸起部間形成類似鳩尾槽之結構，允許上述之複合材 料充分裝填充滿其間而有效達到嵌合目的。 4. 根據專利申請範圍第—項之—種「複合材料齒輪之製法 與其製成」’其中該複合材料充填部（3 〇 )，係指短纖複 合材料，而具有均勻撓性之機械材料特性，長纖複合材 料具有可供傳動負載之機械材料行為。 5. 根據專利申請範圍第一項之一種「複合材料齒輪之製法

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   申請專利範圍 滿料充填部(3°)，係包括短纖 而實二部間所定義之類似鸠尾槽體， 將嵌合介面環—把嫉a摈P UL π 7你由長纖布條 ^ -i- M 't ^ -起捲成捲尺狀置入該短纖材料間，藉A 能力。 角又排列而有效改變或控制承受負栽 6‘根據專利申請範圍第二項之一種「複A材枓去^ % 與其製成」，I φ 1 M s 祓。材枓齒輪之製法 其中該成型模具可以分為上、中盥ητ# 且其中上逑之 T/、卜杈， (a) 為平板狀，其中心向下結合面凸出-約遍 =齒輪取外徑相當但不小於上述齒環内圈外徑之平 以便推擠短纖材料並保持複材之成型壓力； (b) =模亦為相對匹配之平板，内部同心凹設挖空— ^，與該上模對應，允許欲成型之上述齒輪置入； (c) U亦為相對匹配之平板，其向上結合面凸設一約 1^介面環軸孔相等之凸柱，以便成型時做齒輪之 弋位用； < 如此 > 杳 L , 之凸上、中、下模置入欲成型齒輪時，利用該上模 I可有效擠壓複材，同時保持均勻之壓力。 、

   4 48 08 3 六、申請專利範圍 : ^ :「複合材料齒輪之製法與其製成」，該齒輪組成係 以=π ^略為同心圓環狀元件具有一徑向均勻對稱厚声 ，在外你丨且古 i τ \ ,? ^ . 八有—殺數齒’實質供傳動之用，及一複數凸 #2λ亥齒環内側，而該凸起具有角部自環向沿伸而 形成凸起間類似鳩尾槽之結構； 而 :::3，亦呈同心環狀且具有均勻對稱厚度，而置 環向沿伸㈣y其外侧具有—複數凸起具有角部沿 t 成凸起間類似鳩尾槽之結構，内側則定義 有與傳動軸相接之軸孔或鍵槽；& 義 ϊ: i: i ί部二置於該齒環與介面環間；具有短纖材 5 ' 上述凸起間所定義之類似鳩尾槽體，而實 斜ΐ彳^ σ目的，與長纖布條捲成捲尺狀置入該短纖材 、' 3 ，藉由該長纖複合材料之角度排列而有效改變戋控 制承受負载能力； 藉由上述組合’可將同質，特別是異質之材料特性結合 在—起，有效減輕齒輪的重量，同時藉長纖角度排.列而 達到扭矩極大值之最佳化設計的目的。

   第22頁 448083 六、申請專利範圍 8. 根據專利申請範圍第5項或第7項之一種「複合材料齒輪 之製法與其製成」，其中該長纖複合材料之排列角度可 為零度。 9. 根據專利申請範圍第1、4、5或7項之一種「複合材料齒 輪之製法與其製成」，其中該複合材料可為碳纖維預浸 材料。 1 0.根據專利申請範圍第9項之一種「複合材料齒輪之製法 與其製成」，其中該成型溫度約為1 7 0 °C。 11.根據專利申請範圍第9項之一種「複合材料齒輪之製法 與其製成」，其中該成型壓力約為30 kg/cm2。 1 2.根據專利申請範圍第6項之一種「複合材料齒輪之製法 與其製成」，其中該模具間至少具有一防漏封環以防 止樹脂遇熱流入齒環之齒部（2 1 )間而造成爾後加工不 便。

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