TWI402437B - Power transmission device and power transmission device of the hollow shaft manufacturing method - Google Patents

Description

動力傳遞裝置及動力傳遞裝置之中空軸之製造方法

本申請主張基於2009年2月20日申請的日本專利申請第2009-038445號的優先權。該申請的全部內容藉由參照援用在本說明書中。

本發明關於動力傳遞裝置以及動力傳遞裝置的中空軸之製造方法。

以往，在動力傳遞裝置之中空軸連結電動機軸、被驅動軸等之對方軸的情況，使鍵卡合在鍵槽的手法是被廣泛採用的。

在該連結手法，在動力傳遞時於中空軸與對方軸之間的間隙會產生微小的滑動，而有容易產生稱為「磨損(fretting)」的現象之問題。磨損，是經過微小的滑動→產生磨耗→中空軸和對方軸之燒結的過程，若其進展下去，對方軸會固著在中空軸上而變得無法分開。

於專利文獻1，為了避免這種問題的產生，提出利用「摩擦緊固」的中空軸和對方軸之連結構造。根據該構造，由於可以防止在中空軸與對方軸之間產生滑動的現象本身，故可以阻止磨損之進展。

專利文獻1：日本特開2001-99177號公報(段落0024，圖2)

然而，藉由摩擦緊固來連結中空軸和插入在該中空軸的對方軸的情況，必須將遍及全周而設置之很多個緊固用螺栓均等且逐步鎖緊。因此，安裝時或者拆卸時之作業性極差，又有必須定期進行適當的重新鎖緊之維修上的問題。

再者，由於需要用於配置摩擦緊固件的軸向空間，故存在裝置整體在軸向變長的缺點。在中空軸插入對方軸的連結構造，本來是大多採用在要求儘量縮短裝置整體之軸向長度的環境下。因此，該缺點可能在作業現場成為嚴重的問題。

本發明是為了解決這種問題而開發完成的，其課題在於：不損及安裝時等之作業性，而且不加長裝置整體之軸向長度，能以簡單的構造有效地阻止磨損的進展。

為了解決上述課題，本發明所採用的構造，係具備中空軸的動力傳遞裝置，該中空軸具有供對方軸插入的中空部且藉由形狀卡合於該對方軸以傳遞轉矩，於上述中空部之內周施以被覆，而且該被覆之材料係由讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料所構成。

在本發明，於中空部之內周施以被覆。被覆之材料，係讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料。因此，於對方軸和中空軸之接觸面，即使被覆發生若干磨損，呈分散的固體微粒潤滑材料能始終以新的潤滑劑的形式出現在中空部之內周表面。如此，在被覆面與對方軸之間能長期地獲得良好的適度潤滑的作用。而且，與單純地積層被覆具有自潤滑性的材料的構造不同，由於固體微粒潤滑材料大致均勻地分散在母材中，故不易產生剝離現象，始終可以獲得適當的磨損防止效果。

因此，安裝時的作業性良好，且也不需要配置摩擦緊固機構而可縮短軸向長度。並且，由於被覆施加在「中空軸之內周」，也不用擔心在搬運時或者安裝時工具等不小心碰撞被覆面而使該被覆面發生損傷。

根據本發明，不損及安裝時的作業性，而且不加長裝置整體之軸向長度，能以簡單的構造有效地阻止磨損的進展。

以下，根據圖式詳細說明本發明之實施形態之一例。

圖1是本發明之實施形態之一例所採用的具有中空之輸出軸(中空軸)12的齒輪電動機(動力傳遞裝置)GM1之主要部分剖面圖，圖2是沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線的放大剖面圖。

該齒輪電動機GM1，是連結電動機M1和減速機G1而構成的。

該齒輪電動機GM1之輸出軸12，是由鐵系材料構成，具有供對方機械(省略圖示)之被驅動軸(對方軸)14插入的中空部12H。對方機械之被驅動軸14也由鐵系材料構成。在本實施形態，「對方機械」是製作麵包等的食品搬運用輸送機(省略圖示)，「被驅動軸(對方軸)」是用於驅動其輥子(省略圖示)之軸。另外，符號25，是在與對方機械之間連結固定轉矩臂(省略圖示)時所使用的螺栓孔，該轉矩臂是用於防止齒輪電動機GM1整體繞被驅動軸14進行旋轉。

形成於輸出軸12之突起12P，是藉由形成於圖中左側的面12P1來進行未圖示的輸出齒輪之軸向定位：槽部12C是相當於用於防止其與前段的齒輪發生干涉的離隙。輸出軸12，是透過2個軸承19、21被外殼15支承。其中的軸承19，還與突起12Q一起進行輸出軸12的朝圖1的軸向右側的定位。另外，輸出軸12的朝圖1的軸向左側之定位是以既定的構造來實施，但在圖1中省略圖示。

圖1的符號15、17，是在比上述軸承19、21更靠近軸向外側而配置在輸出軸12之兩端外周的油封。油封15、17，是在輸出軸12之外周12A之滑接部12A1、12A2將齒輪電動機GM1內外施以密封。輸出軸12和被驅動軸14，是藉由利用鍵18的「形狀卡合(鍵卡合)」而進行轉矩傳遞。

在本說明書及申請專利範圍中，「利用形狀卡合的轉矩傳遞」是指：與所謂壓入或摩擦緊固不同，一方之軸具有與該一方之軸的切線方向交叉的接受面(包含曲面)，透過該接受面使一方之軸從另一方的軸側接受切線方向之力(或者分力)而進行的轉矩傳遞。如果根據本實施形態來具體說明的話，是在輸出軸12穿設有鍵槽12K，在被驅動軸14也穿設有鍵槽14K。鍵18被卡合介於由兩鍵槽12K、14K所形成的空間23。形成於被驅動軸14的鍵槽14K之側面14K1或14K2，相當於本實施形態中的「與軸的切線方向交叉的接受面」。藉由使鍵18卡合介於由鍵槽12K、14K所形成的空間23，透過該側面14K1或14K2使被驅動軸14從輸出軸12接受切線方向之力(或分力)，藉此進行轉矩傳遞。

另外，在利用形狀卡合的轉矩傳遞，除了這種「利用鍵卡合的轉矩傳遞」以外，也有「利用花鍵卡合的轉矩傳遞」、軸剖面成為英文字母「D」的形狀的所謂「利用D形狀卡合的轉矩傳遞」等。任何一個卡合皆是磨損會成為問題的卡合，可以有效地應用本發明。

輸出軸12之內徑D1，設定成僅稍微大於被驅動軸14之外徑d1(所謂間隙嵌合)。這是為了容易將齒輪電動機GM1安裝在被驅動軸14。然而，依據此構造有產生磨損的疑慮，故在本實施形態中，是在輸出軸12的內周12B施以後述的特殊被覆。

具體而言，該被覆是如下述般進行。

亦即，如圖3(A)所示，在本實施形態，首先由母材和固體微粒潤滑材料之複合材料被覆輸出軸12之整體。又在圖3中，以2點鏈線圍繞且附加細影線的部分相當於施以被覆的部分。為了便於說明，將被覆的厚度示意地加厚描繪。然後，如圖3(B)所示，切削或磨削不打算施以被覆的部位(在本實施形態，包含油封15、17之滑接部12A1、12A2的輸出軸12之外周12A)。接著，如圖3(C)所示，切削不打算進行被覆部分之鍵槽12K。如此，可以除去在不打算進行被覆的部位所形成之被覆。

以下，更詳細地進行說明。

於輸出軸12之中空部12H之內周12B施以被覆的構造，與為了防止磨損而介入另一構件的構造不同，不需增加零件數，於安裝時或拆卸時之作業性也提高。並且，由於緊固具的存在而使軸向長度變長的問題不會發生，故軸向之緊致性也可以提高。而且，因為是「在中空軸內周12B的被覆」，因此在搬運時、安裝時等，可以防止因工具等碰撞而損傷被覆面，故能防止因被覆的微小的損傷使磨損開始進展的現象。

本發明人等著眼於如此般內周被覆之優點，以其作為構造的核心而進行為了防止磨損的更具體的試驗，結果獲得了如下認知。

(a)於中空部12H之內周12B進行(僅使用母材)簡單的電鍍(例如鍍鎳)時，由於金屬彼此接觸，特別是在仍為鐵系材料之被驅動軸14上生鏽，結果產生磨損。

(b)為了提高硬度，在中空部12H的內周12B施以鈦被覆時，結果也產生磨損。亦即，被覆並非只要堅硬就足夠了。

(c)為了減少摩擦係數，將結晶性聚合物(聚醚醚酮)被覆在中空部12H之內周12B的情況，也無法有效地防止磨損。推測這是因為結晶性聚合物和輸出軸12之間的密合度低，與其說產生了磨耗，不如說是產生了「剝離」或者「移位」等。

(d)以鎳被膜作為基材，在析出的鎳被膜上積層氟樹脂(PFA：全氟烷氧基烷烴，四氟乙烯‧全氟烷基乙烯基醚共聚物)以進行被覆的情況，氟樹脂剝離，鎳被膜在極早的時期就露出，故未必成為良好的結果。亦即，單純「積層」式的被覆，作為防止磨損的被覆未必適合。

(e)也嘗試過被覆封入非黏著物質(特殊樹脂)的陶瓷前驅物(熱固性矽系聚合物)的技術。該被覆，由於藉由陶瓷前驅物來維持表面之硬度，例如與氟樹脂等比較時，其具有非常高的耐磨耗性，並且該被覆可以獲得封箱膠帶(gummed tape)或玻璃紙膠帶(cellophane tape)也完全無法黏貼程度的強力非黏著特性。但是，強力的「非黏著特性」，針對防止磨損也未必成為良好的結果。

試驗的結果，可以得到防止磨損的良好結果的情況之一，是施以讓固體微粒潤滑材料分散在母材的「複合鍍敷」的情況。複合鍍敷，是讓分散微粒子共析在電鍍被膜中的表面處理。

在複合鍍敷當中對於防止磨損特別有效的，例如是以鎳作為基材(母材)，讓具有所謂固體微粒潤滑材料的功能的氟樹脂(PTFE：聚四氟乙烯)分散(共析)的被覆(厚度3～7μm)。據推測主要的原因在於：使用鎳基材可獲得適當的硬度，該固體微粒潤滑材料在局部被膜表面成為露出的狀態而獲得所謂自潤滑性。

而且，讓由氟樹脂(PTFE)構成的固體微粒潤滑材料分散在有機樹脂而成為塗料狀，將其塗布而進行所謂「磷酸錳化學被膜處理」的被覆處理的情況，也可得到良好的試驗結果。另外，在該塗布試驗，基材是樹脂，並且是利用塗布來進行，故被覆之厚度為10μm。有機樹脂和鐵系之輸出軸12之密合性未必良好，但是使輸出軸12接觸磷酸被膜而在表面形成厚度5μm左右的粗糙面區域(粗糙面的區域)，於該以既定粗糙度粗糙化的內周面上進行被覆，結果關於密合性可獲得更良好的特性。

根據這些試驗結果，藉由使用讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料施以被覆，針對磨損可獲得良好的結果。

作為具有相同特性的複合材料包括：以鎳(Ni)作為母材，讓發揮「固體微粒潤滑材料」功能的固體微粒子，例如石墨(黑鉛)、二硫化鉬(MoS₂ )、氮化硼(BN)、二硫化鎢(WS₂ )、聚乙烯等固體微粒子分散在其中的複合材料等。

回到具體實施形態之說明。

在本實施形態，將這種複合材料被覆於輸出軸12之內周12B。這是因為，若在輸出軸12之內周12B及被驅動軸14之外周的雙方進行被覆，被覆後兩者之尺寸公差變大，反而使不良狀況外顯化的可能性變高。例如，若被覆因不均勻而變得過厚，則不能獲得本發明的防止磨損之基本目的之「安裝、拆卸容易」的效果。若為了抑制此現象而將輸出軸12和被驅動軸14之尺寸差(間隔)設定成更大，則在被覆因不均勻而變薄的情況，或者因經時磨耗而使被覆變薄的情況，會產生「晃動」。晃動之產生，不僅是成為噪音、振動、齒隙增大之主要原因，且會使磨損更容易發生，從這一觀點來看也不理想。亦即，基於防止磨損的觀點，在輸出軸12之內周12B及被驅動軸14之外周的雙方進行被覆的情況，雖然有時能獲得良好的結果但並非始終能獲得良好的結果。

在本實施形態，因為僅在輸出軸12之中空部12H之內周12B施以被覆，可防止由於被覆厚度不均反而使安裝變得困難、或者使晃動變得比所需要的更大的現象。而且，如上述般，因為是「在內周12B之被覆」，故在搬運時、安裝時等，可防止工具等碰撞而損傷被覆面。由於磨損是從被覆的微小的損傷開始進展，故該優點實際上效果頗大。

此外，如上所述，在本實施形態，關於鍵槽12K(與對方軸形狀卡合的部位)及油封15、17之滑接部12A1、12A2，也意圖避免被覆。這是基於以下的理由。

有關鍵槽12K，由於是「凹部」，特別不易控制被覆之厚度，故極難實現尺寸精度。因此，基於確保尺寸精度和防止晃動之觀點，關於該部分的被覆未必產生良好的結果。但是，施以被覆本身不會成為不良的因素(反而，為了防止磨損宜施以被覆)，故在進行被覆之後，藉由切削或磨削來確保尺寸精度的手法是有效的。在此情況，鍵槽12K上之被覆，未必要在鍵槽12K之全面完全除去。

另一方面，有關油封15、17之滑接部12A1、12A2，乍看下藉由被覆可降低摩擦係數而提昇效率等的優點是可期待的，但實際上確認出被驅動軸14反而發生損傷。因此，關於油封15、17之滑接部12A1、12A2，宜從被覆之對象部位將其排除(宜不殘留被覆)。據推測，在油封15、17之滑接部12A1、12A2，被驅動軸14會發生損傷的機制雖不是很清楚，但若油封15、17不斷進行滑接，在滑接部之被覆之一部分會被削去，削去後的粉末會隨著油封15、17和被驅動軸14的相對旋轉而產生「研磨材」的作用，引發進一步削去被驅動軸14本身的惡性循環。

另外，為了避免對於鍵槽12K和油封15、17的滑接部12A1、12A2等的局部施以被覆，可取代上述般的被覆後進行切削或磨削之步驟，而採用在進行被覆之前(在被覆步驟之前)，增加以覆蓋材料遮蔽不打算被覆的部位的步驟的方法。

此外，為了提高被覆材料(複合材料)和輸出軸之密合度，如上述的良好例所示，於進行被覆之前(在被覆步驟之前)，設置使輸出軸12之內周12B(應施以被覆的部位)之表面粗糙化的步驟也是有效的。為了將其實現，例如在不打算進行被覆的部位，以利用覆蓋材料遮蔽的狀態，對輸出軸12進行磷酸被膜處理(浸漬或塗布)等即可。用於形成該粗糙面的遮蔽手法，是以維持該遮蔽的狀態(亦即，以仍覆蓋不要進行被覆的部位的狀態)，在洗淨後放入本來的被覆步驟，故遮蔽步驟不致白費功夫。另外，於被覆步驟結束之後除去用於遮蔽的覆蓋材料。

藉由這些步驟可以在輸出軸12之內周12B被覆讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料，可以確保安裝的容易性，而且可以避免軸向長度增大，能夠以簡單的構造有效地防止磨損。

另外，關於上述實施形態，對於輸出軸(中空軸)之外周，是藉由切削或磨削、或者遮蔽來除去被覆，但在本發明中，未必禁止中空軸之外周之被覆。對油封之滑接部宜不施以被覆，但是對該部分，例如作為極高減速比的動力傳遞裝置之輸出軸而應用於旋轉速度極慢的用途時，有時不一定要除去被覆亦可。

此外，在上述實施形態，對於對方軸之外周沒有施以被覆，但在本發明中，也不禁止對方軸之外周之被覆。例如，與上述的鍵槽上的被覆同樣的，在施以被覆之後實施用於確保尺寸精度的切削或磨削的手法，在某些用途是有效的。

再者，在上述實施形態，是於具有中空部的輸出軸應用本發明，但是本發明之應用不限於此，例如中空的輸入軸和電動機之卡合、中空的接頭和實心軸之卡合等，總之，只要是中空軸具有供對方軸插入的中空部且藉由形狀卡合於該對方軸以傳遞轉矩的動力傳遞裝置的話，同樣地可以應用，並且能獲得同樣的作用效果。

12．．．輸出軸(中空軸)

12K．．．鍵槽

12A1、12A2．．．滑動接觸部

12H．．．中空部

14．．．被驅動軸(對方軸)

14K．．．鍵槽

15、17．．．油封

圖1是本發明的實施形態的一例所採用的齒輪電動機之構造的主要部分剖面圖。

圖2是沿圖1的Ⅱ-Ⅱ線的放大剖面圖。

圖3(A)~(C)是顯示上述實施形態的中空軸的被覆作業之步驟例的剖面圖及端面圖。

12．．．輸出軸

12A．．．外周

12A1、12A2．．．滑接部

12B．．．內周

12C．．．槽部

12H．．．中空部

12P、12Q．．．突起

12P1．．．突起12P的左側的面

14．．．被驅動軸

14K．．．鍵槽

14K1、14K2．．．鍵槽之側面

15、17．．．油封

18．．．鍵

19、21．．．軸承

25．．．螺栓孔

G1．．．減速機

GM1．．．齒輪電動機

M1．．．電動機

Claims (7)

1. 一種動力傳遞裝置，係具備中空軸之動力傳遞裝置，該中空軸具有供對方軸插入的中空部且藉由形狀卡合於該對方軸以傳遞轉矩，其特徵為：於上述中空部的內周施以被覆，並且，該被覆的材料，是由讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料所構成；上述被覆是施加在：除了位於上述中空軸之外周的油封的滑接部外。
2. 如申請專利範圍第1項所述的動力傳遞裝置，其中，上述中空軸之內周面以既定的粗糙度粗糙化，在粗糙化的該內周面上施以上述被覆。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之動力傳遞裝置，其中，上述被覆是施加在：除了上述中空軸與對方軸形狀卡合的部位外。
4. 一種動力傳遞裝置之中空軸之製造方法，是用來製造供對方軸插入且藉由與該對方軸形狀卡合以傳遞轉矩的動力傳遞裝置之中空軸，其特徵為，含有：包含上述中空軸之不打算施以被覆的部位，於該中空軸上使用讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料所構 成的被覆材料施以被覆的步驟；以及從上述中空軸之不打算施以被覆的部位除去已經被覆的上述複合材料的步驟；上述中空軸之不打算進行被覆的部位，是配置在該中空軸之外周的油封的滑接面。
5. 如申請專利範圍第4項所述的動力傳遞裝置之中空軸之製造方法，其中，上述中空軸之不打算進行被覆的部位，是與上述對方軸形狀卡合的部位。
6. 一種動力傳遞裝置之中空軸之製造方法，是用來製造供對方軸插入且藉由與該對方軸形狀卡合以傳遞轉矩的動力傳遞裝置之中空軸，其特徵為，含有：使用覆蓋材料遮蔽上述中空軸之不打算進行被覆的部位的步驟；以及於應施以上述被覆的部位，使用讓固體微粒潤滑材料分散在母材的複合材料所構成的被覆材料施以被覆的步驟；上述中空軸之不打算進行被覆的部位，是配置在該中空軸之外周的油封的滑接面。
7. 如申請專利範圍第4或6項所述的動力傳遞裝置之中空軸之製造方法，其中，在使用上述被覆材料施以被覆的步驟之前，進一步含有使應施以上述被覆的部位的表面粗糙化的步驟。