一种轻量化多材料齿件耦合传动装置的制作方法

1.本发明涉及齿件传动技术领域，具体是一种轻量化多材料齿件耦合传动装置。


背景技术：

2.齿件耦合传动中的齿件包括齿轮、齿条、螺杆等。齿件耦合传动装置中相互接触耦合的齿件的首要性能是耐磨性能要好，否则这些接触耦合的齿件和构件会在传动运行过程中被磨损，从而降低传动精度和使用寿命。传动载荷越高，对齿件耐磨性能的要求也越高。
3.齿件耦合传动装置中相互接触耦合的齿件通常是使用耐磨性能好的钢铁材料制备的。齿件耦合传动装置轻量化可以提升传动效率。玩具等很低载荷的齿件，可使用铝合金、塑料和尼龙等轻量化材料来生产；但是载荷稍大的齿件不适合使用这些耐磨性能远差于钢铁的轻量化材料来制备，否则齿件装置的精度和寿命都会由于齿的磨损而大大降低。
4.齿轮是最常用的齿件。wadleigh的美国专利us5,271,287给出了一种多金属复合齿轮或齿轮轴；具体包括在铝合金、钛合金等轻金属合金齿轮的或齿轮轴的表面覆盖一层钢材，形成多金属复合轻量化齿轮或齿轮轴，其表面的耐磨性能大幅提高；该专利使用摩擦焊接来制造这种多金属复合轻量化齿轮或齿轮轴，生产成本高，并且质量难以保证。lin等人在美国专利申请us2017/0056961a1中给出了通过热模具压制法，将铝合金压入钢齿轮外套中的多金属复合齿轮的制备方法；但是这一方法只适合压制直齿轮(spurgear)，大量其它形状的多金属齿轮无法压制。handshuh等人在美国专利us9,296,157b1中给出了一种混合材料制备的轻量化齿轮；其齿轮外圈的齿圈是钢材，齿轮中部则使用低比重的纤维强化树脂基复合材料或纤维强化铝基复合材料来制备；这种混合材料轻量化齿轮生产复杂，成本高昂。hofmann等人在论文optimizing bulk metallic glasses for robust,highly wear-resistant gears(金属玻璃发表在adbanced engineering materials杂志2017年1月vol.19，第1期的论文(doi:10.1002/adem.201600541)中公开了一种高耐磨性非晶金属齿轮；由于配方的变化，这种材料的比重在4.85至7.31g/cm3，是约7.8g/cm3钢材比重的约62％至94％；但是这种金属玻璃生产过程要求快速冷却，只能用于制备很小尺寸的齿轮。
5.上述这些现有对齿轮单件的轻量化技术方案，都有非常明显的技术缺陷，且都没有涉及到整个齿件耦合传动装置的轻量化。而对有两个以上相互耦合齿件的传动装置进行轻量化，更为复杂，技术难度更高。因而需要开发出耐磨性能好的轻量化齿件耦合传动装置。
6.参考资料：
7.美国专利和专利申请：us5,271,287、us9,296,157b1、us2017/0056961a1。
8.其它参考资料：
9.d.c.hofmann etc.,optimizing bulk metallic glasses for robust,highly wear-resistant gears,advanced engineering materials，vol.19，no.1,january2017。


技术实现要素：

10.研究表明，对于齿件耦合装置进行轻量化，耐磨性能是技术难点。齿件通常是使用耐磨性好的钢材，如碳钢和铬钢。而铝合金、钛合金和镁合金等轻金属的耐磨性，以及它们与钢材之间相互摩擦的耐磨性都差，不能满足较高载荷传动齿件耐磨的要求。
11.研究发现，含有陶瓷颗粒、陶瓷晶须、陶瓷短纤维等耐磨材料强化相的铝基复合材料(简称amc)，通常具有好的耐磨性能。本发明人对铝基复合材料、铝合金、钛合金、陶瓷和钢材相互之间的摩擦性能进行了一系列的研究，出人意料地发现，在各种摩擦条件下，amc材料与非amc材料例如钢材、陶瓷或钛合金材料之间表现出良好的耐磨性能，甚至优于钢材与钢材之间的耐磨性能，由此非常适合于制备多材料轻量化的齿件。
12.下面是根据标准astm g77《standard test method for ranking resistance of materials to sliding wear using block-on-ring wear test》和astm g99《standard test method for wear testing with apin-on-disk apparatus》进行4组摩擦试验的结果，分别列在表1至表4。
13.表1至表4分别有4种不同硬度的钢：硬度为28-33hrc的aisi 4340钢、硬度为59-60hrc的aisi 4620钢、硬度为41-42hrc的gb 40crnimoa钢和硬度为58-61hrc的gb gcr15钢。
14.各表中没有列出对摩擦材料a和材料b各自的磨损量，而是列出两种对摩材料的总磨损量。因为只要总磨损量高，这两种材料就不适合同时用于相互有压力摩擦的齿件。
15.各表中的铝基复合材料的表示方法是按照美国国家标准ansi h35.5《nomenclature system for aluminum metal matrix composite materials》进行。其中，铝基复合材料2009/al2o3/25p-t4是25％体积比al2o3陶瓷颗粒(particle)强化2009铝合金，经过t4热处理；6092/sic/15w-t6铝基复合材料是15％体积比sic陶瓷晶须(whisker)强化6092铝合金；6092/al2o3/15c-t6是15％体积比al2o3陶瓷短纤维(chopped fiber)强化6092铝合金。
16.表1.33n压力下摩擦试验数据(astm g77)
17.18.表2.434n压力下摩擦试验数据(astm g77)
[0019][0020]
表3.300n压力下与gcr15钢摩擦试验数据(astm g99)
[0021][0022]
表4.300n压力下与40cr钢摩擦试验数据(astm g99)
[0023]
[0024]
由表1的数据可发现：在摩擦压力低的情况下，铝合金与铝合金、钛合金与钛合金相互摩擦的耐磨性能差；但amc与铝合金相互摩擦的耐磨性能更差；amc之间相互摩擦的耐磨性能和amc与钛合金相互摩擦的耐磨性基本相当；而amc与4340钢(硬度28-33hrc)之间，以及amc与氧化铝陶瓷之间摩擦的耐磨性均好于钢与钢摩擦的耐磨性。表2中，在较高摩擦压力的情况下，amc之间的耐磨性大幅下降，但是各种amc与4620钢(硬度59-60hrc)之间摩擦的耐磨性均好于钢与钢摩擦的耐磨性。表3和表4的结果进一步表明：即便在较大摩擦压力下，不论是对于高硬度(58-61hrc)轴承钢和硬度稍低(41-42hrc)高韧性40crnimoa钢，amc与钢之间摩擦的耐磨性均好于钢与钢之间摩擦的耐磨性。
[0025]
在表1所列的摩擦条件下，amc与硬度为27-33hrc钢材、陶瓷以及与钛合金的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤25mg，满足本发明的需要；在表2所列的摩擦条件下，amc与硬度为58-61hrc钢材的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤15mg，满足本发明的需要；在表3所列的摩擦条件下，amc与硬度为57-62hrc钢材的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤1mg，满足本发明的需要；在表4所列的摩擦条件下，amc与硬度为40-43hrc钢材的摩擦试验中，两种对摩材料总磨损量≤2mg，满足本发明的需要。
[0026]
表5.铝基复合材料技术参数
[0027][0028]
表1至表4中测试用钢材的屈服强度≥340mpa。上表5列出了表1至表4中各种amc的材料技术参数。这些amc的密度在2.6-3.2g/cm3的范围内。不同传动载荷对齿件材料最低屈服强度要求不同。铝基复合材料的强度比其铝合金基体的强度要高，表5中的amc的屈服强度在350mpa-670mpa的范围，满足本发明的需求。
[0029]
基于上述研究结果，提出了本发明。
[0030]
更具体地，根据本发明的实施方案，提供一种轻量化多材料齿件耦合传动装置(10)，包括第一齿件(11)和至少一个与第一齿件(11)耦合的第二齿件(12)；第一齿件(11)和第二齿件(12)中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个由钢材、钛合金、陶瓷
等其它材料制备。这种多材料齿件耦合传动装置(10)耐磨性优异，并且能够实现轻量化，例如amc的比重约为钢的35％。轻量化多材料齿件耦合传动装置(10)中，使用amc制备的齿件的尺寸比其它材料如钢材制备的齿件的尺寸越大，减重效果越好。
[0031]
根据本发明的实施方案，所述amc由铝合金基材和强化相组成。
[0032]
根据本发明的实施方案，所述强化相材料选自陶瓷颗粒、陶瓷晶须、陶瓷短纤维或它们的混合物。
[0033]
根据本发明的实施方案，所述强化相体积占amc的体积比为10～35％，例如10～30％，例如10-25％。
[0034]
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。
附图说明
[0035]
图1为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料直齿轮(spur gears)耦合装置)的立体示意图；
[0036]
图2为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料斜齿轮(helical gears)耦合装置)的立体示意图；
[0037]
图3为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料锥齿轮(bevel gears)耦合装置)的立体示意图；
[0038]
图4为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料蜗轮蜗杆(worm gears)耦合装置)的立体示意图；
[0039]
图5为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料齿轮齿条(gear&teeth rack)耦合装置)的立体示意图；
[0040]
图6为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料行星齿轮(planetary gears)耦合装置)的立体示意图；
[0041]
图7为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料谐波齿轮(harmonic gears)耦合装置)的立体及分解结构示意图；以及
[0042]
图8为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置(轻量化多材料螺杆螺母(screw shaft&screw nut)耦合装置)的立体及局部剖面示意图。
具体实施方式
[0043]
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。
[0044]
实施例1
[0045]
图1为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料直齿轮(spur gears)耦合装置10的立体示意图。
[0046]
轻量化多材料直齿轮耦合传动装置10可以包括第一直齿轮齿件11和至少一个与第一直齿轮齿件11耦合的第二直齿轮齿件12；第一直齿轮齿件11和第二直齿轮齿件12中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个齿件由钢材、钛合金等非amc材料制备。一个直齿轮齿件转动时，由于相互齿的啮合驱动另一个直齿轮齿件转动。如上所述，由于采用轻
量化的amc材料制备其中一个齿件，因此可以实现轻量化；另外，本发明出人意料地发现，amc材料不仅比重较低，而且amc齿件与采用其他材料例如钢材制备的另一齿件之间的耐磨性能优异，由此在轻量化的同时能够满足齿件耦合传动装置的耐磨性要求。
[0047]
根据图1所示本发明的方案，轻量化多材料直齿轮耦合传动装置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。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0.3-50微米之间，例如0.5-30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(tib
2 whisker)、硼酸铝晶须(al
18
b4o
33 whisker)、钛酸钾晶须(k2ti6o
13 whisker)、硼酸镁晶须(mg2b2o5whisker)等，还可以是陶瓷短纤维，如氧化铝短纤维(al2o3chopped fiber)、碳化硅短纤维(sic chopped fiber)、氧化铝+二氧化硅短纤维(al2o3+sio chopped fiber)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(graphene)。amc中强化相体积含量在10～45％之间，例如10～30％，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，含有≥10％体积比上述强化相的amc的强度、弹性模量和耐磨等性能都比铝合金高。
[0048]
根据美国国家标准ansi h35.5，本发明实施方案的amc可以表达为：
[0049]
(1)aa-alloy/ceramic-particle/10～35p
[0050]
(2)aa-alloy/ceramic-whisker/10～35w
[0051]
(3)aa-alloy/ceramic-chopped-fiber/10～35c
[0052]
根据图1所示本发明的方案，轻量化多材料齿件耦合传动装置10的钢材的硬度可在20-70hrc范围内，例如25-65hrc。
[0053]
根据图1所示本发明的方案，轻量化齿件耦合装置10的陶瓷材料，可从氮化铝(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)和氧化锆(zro2)等陶瓷中选取，这些陶瓷比重在2.4-5.8g/cm3的范围。表6分别列出了这些陶瓷材料的比重。
[0054]
表6.陶瓷材料比重
[0055][0056]
使用本发明的轻量化多材料齿件耦合传动装置，不仅可有效减轻现有钢制齿件耦合传动装置的重量，还表现出比现有钢齿件耦合传动装置有更好的耐磨损性能。
[0057]
实施例2
[0058]
图2为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料斜齿轮(helical gears)耦合装置20的立体示意图。
[0059]
轻量化多材料斜齿件耦合传动装置20可以包括第一斜齿轮齿件21和至少一个与之耦合的第二斜齿轮齿件22；第一斜齿轮齿件21和第二斜齿轮齿件22中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个齿件由钢材等非amc材料制备。一个斜齿轮齿件转动时，由于齿的相互啮合驱动另一个斜齿轮齿件转动。两个斜齿轮齿件的轴可以是平行的(第一斜齿轮齿件21和第二斜齿轮齿件22)，也可以是相互垂直的(第一斜齿轮齿件21和第三斜齿轮齿件22’)。
[0060]
根据图2所示本发明的实施方案，轻量化多材料斜齿件耦合传动装置20的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0061]
实施例3
[0062]
图3为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料锥齿轮(bevel gears)耦合装置30的立体示意图。
[0063]
轻量化多材料锥齿件耦合传动装置30可以包括第一锥齿轮齿件31和至少一个与之耦合的第二锥齿轮齿件32；第一锥齿轮齿件31和第二锥齿轮齿件32中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个齿件由钢材等非amc材料制备。一个锥齿轮齿件转动时，由于齿的相互啮合驱动另一个锥齿轮齿件转动。两个锥齿轮齿件的轴是相互垂直的。
[0064]
根据图3所示本发明的实施方案，轻量化多材料锥齿件耦合传动装置30的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0065]
实施例4
[0066]
图4为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料蜗轮蜗杆(worm gears)耦合装置40的立体示意图。
[0067]
轻量化多材料蜗轮蜗杆耦合传动装置40可以包括一个蜗杆齿件41和与之耦合的蜗轮齿件42；蜗杆齿件41和蜗轮齿件42中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个
齿件由钢材等非amc材料制备。蜗杆齿件41转动时，由于齿的相互啮合驱动蜗轮齿件42转动。蜗杆齿件41的轴和蜗轮齿件42的轴是相互垂直的。
[0068]
根据图4所示本发明的实施方案，轻量化多材料蜗轮蜗杆耦合装置40的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0069]
实施例5
[0070]
图5为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料齿轮齿条(gear&teeth rack)耦合装置50的立体示意图。齿轮齿条耦合包括直齿轮直齿条耦合和斜齿轮斜齿条耦合，图5所示是直齿轮直齿条耦合。
[0071]
轻量化多材料齿轮齿条耦合传动装置50可以包括一个齿轮齿件51和与之耦合的齿条齿件52；齿轮齿件51和齿条齿件52中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个齿件由钢材等非amc材料制备。齿轮齿件51转动时，由于齿的相互啮合驱动齿条齿件52沿齿条方向做直线运动；或者齿条齿件52沿齿条方向做直线运动，由于齿的相互啮合驱动齿轮齿件51转动。
[0072]
根据图5所示本发明的实施方案，轻量化多材料齿轮齿条耦合装置50的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0073]
实施例6
[0074]
图6为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料行星齿轮(planetary gears)耦合装置60的立体示意图
[0075]
轻量化多材料行星齿件耦合传动装置60可以包括一个太阳齿轮齿件61和一个以上与之耦合的行星齿轮齿件62，以及与行星轮齿件62耦合的固定内齿刚轮齿件63；太阳轮齿件61和内齿刚轮63由轻量化铝基复合材料(amc)制备，行星轮齿件62由钢材等非amc材料制备。当太阳轮齿件61转动时，由于齿的相互啮合驱动耦合在61和63之间的行星轮齿件62围绕太阳轮齿件61自转和公转。
[0076]
根据图6所示本发明的实施方案，轻量化多材料行星齿件耦合传动装置60的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0077]
实施例7
[0078]
图7为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料谐波齿轮(harmonic gears)(harmonic gears)耦合装置70的立体及分解结构示意图。
[0079]
轻量化多材料谐波齿件耦合传动装置70可以包括一个柔性齿轮齿件71和与之耦合的内齿刚轮齿件72和波发生器73；内齿刚轮齿件72由轻量化铝基复合材料(amc)制备，柔性齿轮齿件71用钢材等非amc材料制备。柔性齿轮齿件71的齿数略少于内齿刚轮齿件72的齿数；波发生器73为椭圆形，转动时其长轴方向压迫柔性齿轮齿件71与内齿刚轮齿件72相互啮合，柔性齿轮齿件71以小于波发生器73的转速旋转。
[0080]
根据图7所示本发明的实施方案，轻量化多材料谐波齿件耦合传动装置70的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0081]
实施例8
[0082]
图8为根据本发明实施方案的轻量化多材料齿件耦合传动装置：轻量化多材料螺杆螺母(screw shaft&screw nut)耦合装置80的立体示意图和螺杆立体螺母剖面图。
[0083]
轻量化多材料螺杆螺母耦合装置80可以包括螺杆齿件81和与之耦合的螺母齿件
82；螺杆齿件81和螺母齿件82中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个齿件由其它用钢材等非amc材料制备。当螺杆齿件81转动时，由于相互齿的啮合驱动螺母齿件82沿轴向做直线运动；或者当螺母齿件82转动时，由于相互螺旋齿的啮合驱动螺杆齿件81沿轴向做直线运动。
[0084]
根据图8所示本发明的实施方案，轻量化多材料螺杆螺母耦合装置80的铝基复合材料amc与实施例1相同。
[0085]
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，如人字齿轮装置(herringbone gears)和双斜齿轮装置(double helical gears)等。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和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。

技术特征：
1.一种轻量化多材料齿件耦合传动装置(10)，包括至少两个齿件，第一齿件(11)和与之耦合的第二齿件(12)，其特征在于：第一齿件(11)和第二齿件(12)中的一个由轻量化铝基复合材料(amc)制备，另一个由不同于amc的材料制备。2.根据权利要求1所述的轻量化多材料齿件耦合传动装置(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3所述的轻量化多材料齿件耦合传动装置(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3所述的轻量化多材料齿件耦合传动装置(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10～30％。5.根据权利要求3所述的轻量化多材料齿件耦合传动装置(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1所述的轻量化多材料齿件耦合传动装置(10)，其特征在于，所述不同于amc的材料选自钢材料、陶瓷或钛合金。

技术总结
本发明公开了一种轻量化多材料齿件耦合传动装置，包括至少两个齿件，第一齿件(11)和与之耦合的第二齿件(12)，其特征在于：第一齿件(11)和第二齿件(12)中的一个由轻量化铝基复合材料(AMC)制备，另一个由不同于AMC的材料制备。这种轻量化多材料齿件耦合传动装置有良好的耐磨性能，并且相比于钢制传动装置减重效果明显。果明显。果明显。


技术研发人员：彭跃南 王丽娟 刘培胜 惠海成 代凯月 于治
受保护的技术使用者：亚超特新材料技术有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/9