专利名称：用于发动机的注塑成型齿轮及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通用发动机的、在高负荷工作条件下暴露于高温润滑油中的注塑成形齿轮和制造该齿轮的方法。
高温润滑油一般存储在通用发动机的曲轴箱中，使得发动机能够在高负荷工作条件下长时间地运行。因此，例如在曲轴箱中使用一对金属齿轮作为曲轴齿轮和定时齿轮(凸轮齿轮)。然而当它们相互啮合或相对旋转时，由于它们之间存在着齿轮啮合间隙，所以金属齿轮产生很大的声音或噪音。为了降低齿轮产生的噪音，曾进行过许多尝试来改善每个齿轮的加工和安装精度或者精确地控制齿轮的啮合间隙。虽然为此目的使用了不存在齿轮啮合间隙的剪刀齿轮，但它们的价格较高。
最近提出了用树脂齿轮代替金属齿轮以减小噪音的建议。树脂齿轮一般产生的噪音较小。但是象日本专利申请特开昭57-137762中所述的那样，如果在发动机中使用树脂齿轮，树脂齿轮必须是由含有基材(例如聚酰胺树脂)和玻璃纤维或类似物的增强材料形成的，以便保持适当的强度、耐磨性等等。但是如果配合齿轮是金属制造的，树脂齿轮中的玻璃纤维对配合齿轮有一种研磨作用或摩擦作用。由于树脂由玻璃纤维加强，它的硬度太高而不能获得令人满意的降低噪音的效果，并可能产生令人不愉快的噪音。
替代用玻璃纤维或类似物增强的齿轮，可以采用单体铸造(MC)树脂材料，这种材料不用玻璃纤维也能获得必要的强度。尽管这种材料具有显著减小噪音的效果和优良的抗磨性及耐久性，但由于它的高粘度而不容易注塑成形。所以必须用切削棒形或环形材料的方法制造齿轮，因此包括附加的切削加工费用和材料费用在内，其制造成本高于金属齿轮的制造成本。
日本专利申请特开平6-63973中公开了一种由含增强材料的酚醛树脂制造的齿轮。但这种齿轮不适于注塑成形，增加了用于切削的加工费用。
如上所述，一般认为用树脂齿轮代替金属齿轮可以显著降低齿轮的噪音水平。在另一方面，现有的用于注塑成形的树脂在高负荷工作条件下容易在高温润滑油中变形和破裂。因此为此目的希望使用高粘性树脂材料。但这种高粘性树脂的注塑成形性能很差。如果对其进行注塑成形，所得的模制产品很容易产生缺陷，可能在模制过程中导致开裂。另一方面，挤压成形的产品有优良的强度，但它们需要切削加工。如上所述，含有玻璃纤维和/或无机填充料作为增强物的组合物不可避免地对配合齿轮产生研磨作用，尽管它们具有改善的耐磨性。
采用在模型中使树脂快速聚合的方法可以获得高韧性的齿轮。但这种齿轮形状精度很低，因而需要后续的切削加工，并且很容易产生内部缺陷，所以可靠性不高。
本发明的一个目的是提供一种用于发动机的注塑成形齿轮以及制造这种注塑成形齿轮的方法，该齿轮具有高的可靠性、韧性和精度，无需机加工就可以低成本地制造，并可以大大地减小噪音。
本发明的另一个目的是提供一种用于发动机并具有优良强度和尺寸精度的注塑成形齿轮以及制造该齿轮的方法。
本发明的再一个目的是提供一种用于发动机的注塑成形齿轮，它可以更有效地防止配合齿轮磨损并降低噪音水平，但又不降低聚酰胺树脂的适当的挠性。
本发明的一个方面是提供一种用于发动机的注塑成形齿轮，它包括一个内侧部分；一个围绕内侧部分形成的带齿的外侧部分，至少带齿的外侧部分是由聚酰胺树脂模制而成的，聚酰胺树脂部分的相对粘度等于或大于3.5，相对粘度的定义是η/ηo，其中ηo是浓度为98％的硫酸的粘度，η是其中溶解有1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度。
用这种方法制成的注塑成形齿轮是一种不要机加工或切削加工、相对粘度不低于3.5从而保证高韧性和强度的低噪音树脂齿轮。
注塑成形的齿轮可以包括一个镶嵌环作为外侧部分。在这种情况下，带齿部分是环绕镶嵌环整体模制的。
以这种方式制造的注塑成形齿轮也是一种不要机加工或切削加工或类似加工的、相对粘度不低于3.5从而保证高韧性和强度的低噪音树脂齿轮。此外，镶嵌环的使用改善了齿轮的强度和尺寸的精度。
聚酰胺树脂最好既不含玻璃纤维也不含无机填充料。在这种情况下，配合齿轮不会被磨损，并更有效地降低噪音水平，而且不会降低聚酰胺树脂的适当的挠性。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造用于发动机的注塑成形齿轮的方法，包括以下步骤把聚酰胺树脂注塑进一个带齿的齿轮构造中，以获得模制产品；热处理模制产品使其具有等于或大于3.5的相对粘度，相对粘度的定义为η/ηo，其中ηo是98％浓度的硫酸的粘度，η是其中溶解有1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度。
该方法还可包括提供一个金属镶嵌环的步骤和其后围绕镶嵌环进行注塑成形的步骤。
热处理最好是在真空度不高于-500mmHg或在象氮气或氦气一类的惰性气体中进行。此外，热处理最好是在高于聚酰胺树脂熔点一半的温度和低于其熔点10℃的温度下进行。
图1A是根据本发明的第一实施例的注塑成形齿轮的前视图；图1B是图1A所示齿轮的轴向剖视图；图1C是与图1B相同的视图，但表示了如何进行注塑成形；图2是表示齿轮在发动机中的示意图；图3是齿轮的耐磨性的比较测量结果图；图4是发动机工作噪音水平的测量结果图；图5A是根据本发明的第二实施例的注塑成形齿轮的前视图；图5B是图5A所示齿轮的轴向剖视图；图6是根据第二实施例的齿轮齿厚变化的测量结果图。
通过以下的详细说明并参照附图，将了解本发明的优选实施例。
图1A至图2显示了本发明的第一实施例。参见图2，标号1表示一个带有曲轴箱2的发动机体。曲轴5封闭在曲轴箱2中，当活塞(未示出)在缸体3中往复运动时，通过连杆4使曲轴5旋转。装在曲轴5一端的是一个用于平衡重的曲轴齿轮8，它与安装在平衡重轴6一端的平衡重齿轮7啮合。安装在曲轴5另一端的是一个凸轮曲轴齿轮11，它与安装在凸轮轴9一端的凸轮齿轮(定时齿轮)10相啮合。凸轮齿轮10与一个调速齿轮12相啮合。
在连杆4的较大端部分的底侧固定着一个刮片(未示出)。刮片用于刮起在曲轴箱2底部的油池13中存贮的润滑油，润滑缸体3的内壁和包括曲轴5、平衡重轴6、凸轮轴9等在内的各个滑动部件。
如图1A和1B中所示，曲轴齿轮11的内部是由一个烧结铁合金镶嵌环11a构成的。围绕环11a整体制成的外侧带齿部分11b和齿部分11c是由例如尼龙66等的聚酰胺树脂注塑成形、并热处理所得模制产品使其相对粘度ηr等于或大于3.5(ηr≥3.5)的方法制造的。相对粘度ηr是由等式(1)给出的。
ηr＝η/η。--- (1)其中ηo是市售浓度为98％的硫酸的粘度，η是其中溶解1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度。硫酸的粘度是由测量预定量的硫酸在毛细管中向下流动一个预定的垂直距离所需的时间(秒)而得出的。其中溶解有1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度也是由上述相同的方法得出的。上述确定相对粘度的方法是在JIS-K-6810(JIS＝Japanese Industrial Standards日本工业标准)中定义的。
在成形凸轮曲轴齿轮11的过程中，如图1C所示，从一个位于环11a的轴向一侧的中心部分附近的注射口15把例如尼龙66等的聚酰胺树脂注射到围绕镶嵌环11a外圆周区域中。聚酰胺树脂不含增强材料(玻璃纤维或无机填充料)，从基本上在环11a中心的单一注射口朝镶嵌环11a的外圆周部分径向向外地流动。因此聚酰胺树脂可以均匀地流动而不会发生环流或回旋。
在注塑成形之后，除去从注入口15注入的聚酰胺树脂的多余部分。在注塑成形完成时，曲轴齿轮11的齿部分11c已经完成了。齿部分11c不需要齿轮切削或类似的加工。
在真空下对注塑成形产品退火和热处理，使其相对粘度ηr等于或大于3.5。更具体地讲，是在热处理过程中适当地建立真空条件，使真空度PS等于或小于-500mmHg，并使温度保持在高于聚酰胺树脂(尼龙66)熔点的一半和低于熔点10℃的水平。作为选择，热处理可以在一种惰性气体中进行，例如氮气或氦气中。
图3表示了在负载下发动机经过一定工作时间的不同材料的凸轮曲轴齿轮的齿的磨损的测量结果。这结果是通过对三种不同材料的齿轮的齿相对于时间测量的磨损量进行比较而得到的；一种是金属齿轮(现有的齿轮，在图3中由点划线表示)，一种是单体铸造(MC)聚酰胺树脂齿轮(切削加工的齿轮，由虚线表示)，一种是经过上述条件下热处理的聚酰胺树脂(尼龙66)齿轮(根据本发明第一实施例的齿轮，由实线表示)。
如预期的那样，测量结果显示出，金属齿轮表现了最少的齿磨损。在一个长时间间隔后，发现根据本发明的第一实施例的齿轮齿的磨损等于或小于MC齿轮的齿磨损，并且认为磨损的量对实际使用不造成任何问题。
因此，尽管根据本发明第一实施例的齿轮在耐磨性方面比金属齿轮差一些，但齿的磨损程度在实际中可以忽略不计。由于MC齿轮需要机械或切削加工，而根据第一实施例的齿轮不需要切削加工，所以它可以减少制造成本。
图4表示了在发动机工作期间进行的噪音频率分析的结果。这个结果是比较使用两种齿轮的发动机工作噪音水平的测量值得到的；一种是金属齿轮(现有齿轮，在图4中用实线表示)，一种是经上述条件下热处理的聚酰胺树脂(尼龙66)齿轮(根据本发明第一实施例的齿轮，用虚线表示)。分析结果指出，实际上在所有频带中使用本发明第一实施例的齿轮作为凸轮曲轴齿轮的发动机的噪音水平都低于使用金属齿轮的发动机的噪音水平。应当理解，根据这个实施例获得了降低噪音的显著效果。
在注塑成形后，对根据本发明的第一实施例的齿轮进行热处理，以使它的相对粘度ηr等于或大于3.5。这种齿轮具有高的韧性和优良的耐磨性。此外，由于根据本实施例的齿轮在成形时使用了镶嵌环，因此它有良好的强度和尺寸精度，并具有高度的可靠性。另外，由于它可以用注塑成形制造，因此不同于MC齿轮，这种类型的齿轮不需齿轮切削，可以用低价制造。另外，由于聚酰胺树脂不含增强材料，可以更有效地降低噪音水平，而不会降低聚酰胺树脂的适当的挠性，而且配合齿轮也不会被增强材料磨损。
图5A和5B显示了本发明的第二实施例。在根据本实施例的凸轮曲轴齿轮的成形过程中，不用镶嵌环注塑成形聚酰胺树脂，并且以与第一实施例的相同方法对注塑成形的聚酰胺树脂齿轮进行热处理。
如图5A和5B所示，凸轮曲轴齿轮21的内侧部分21a和齿部21b都是由注塑聚酰胺树脂形成的，聚酰胺树脂是尼龙66，再对所得模制产品进行热处理，使其如前面定义的相对粘度ηr等于或大于3.5。
图6显示了在注塑成形后和热处理(在真空下退火)后，齿轮的齿厚度改变的测量结果。这结果是基于根据第一实施例的带有镶嵌环的齿轮和根据第二实施例的不带镶嵌环的齿轮之间的比较而得出的。
在注塑成形后，两个齿轮的齿厚度的改变基本相同，而在真空退火后不带镶嵌环的齿轮变化较大，但实际上可忽略不计。
因此，与带有镶嵌环的齿轮相比，根据本发明第二实施例的不带镶嵌环的齿轮在精度上不那么好，但其强度足以在实际中使用。
尽管根据上述实施例使用尼龙66作为聚酰胺树脂，但也可以用任一其它聚酰胺树脂代替，例如，尼龙6，46，11，12，610，612，66/6I和66/6T或这些尼龙的混合物。
尽管以上表示和说明了本发明的优选实施例，但应当理解到，这些公开只是为了说明目的，而在不脱离如附属的权利要求所提出的本发明的范围下可以进行各种改变和改进。
权利要求
1.一种用于发动机的注塑成形齿轮，包括一个内侧部分；一个围绕所述内侧部分形成的带齿的外侧部分，至少所述带齿的外侧部分是由聚酰胺树脂模制而成的，所述聚酰胺树脂部分具有等于或大于3.5的相对粘度，所述相对粘度定义为η/ηo，其中ηo是98％浓度的硫酸的粘度，η是其中溶解有1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度。
2.如权利要求1所述的注塑成形齿轮，其特征是所述聚酰胺树脂是齿轮的唯一组成物。
3.如权利要求1所述的注塑成形齿轮，其特征是所述内侧部分包括一个独立于所述带齿的外侧部分的镶嵌环，所述带齿的外侧部分围绕所述镶嵌环整体模制而成。
4.如权利要求3所述的注塑成形齿轮，其特征是所述聚酰胺树脂是带齿的外侧部分的唯一组成物。
5.如权利要求3所述的注塑成形齿轮，其特征是所述镶嵌环是金属制造的。
6.如权利要求5所述的注塑成形齿轮，其特征是所述金属是一种烧结铁合金。
7.一种制造用于发动机的注塑成形齿轮的方法，包括以下步骤对聚酰胺树脂进行模制而形成一个带齿的齿轮构造，以获得一个模制的产品；加工模制的产品，使其具有等于或大于3.5的相对粘度，所述相对粘度定义为η/ηo，其中ηo是98％浓度的硫酸的粘度，η是其中溶解有1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度。
8.如权利要求7所述的方法，还包括步骤提供一个金属镶嵌环；其后围绕所述镶嵌环进行模制的步骤。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是所述加工步骤是在真空中进行的。
10.如权利要求9所述的方法，其特征是所述真空等于或小于-500mmHg。
11.如权利要求7所述的方法，其特征是所述加工步骤是在惰性气体中进行的。
12.如权利要求11所述的方法，其特征是所述惰性气体是氮气。
13.如权利要求11所述的方法，其特征是所述惰性气体是氦气。
14.如权利要求7所述的方法，其特征是所述加工步骤是在高于聚酰胺树脂的熔点一半的温度和低于熔点10℃的温度下进行的。
15.如权利要求7所述的方法，其特征是所述粘度是由分别测量预定量的所述硫酸和相同量的所述溶液在一个管中向下流动一个预定的垂直距离所需的时间而确定的。
全文摘要
一种用于通用发动机的注塑成型齿轮具有高的可靠性、韧性和精度，能够不需切削加工而低成本地制造，并能大大减小噪音。凸轮曲轴齿轮(11)的内侧部分由烧结铁合金制成的镶嵌环(11a)形成。齿轮的外侧部分(11b)和齿的齿顶部分(11c)是用将例如尼龙66等的聚酰胺树脂注塑成型并热处理所得模制产品使其相对粘度等于或大于3.5的方法形成的。相对粘度定义为η/η。其中η是98％浓度的硫酸的粘度，η是其中溶解有1.0％浓度的聚酰胺树脂的98％硫酸溶液的粘度。
文档编号B29K77/00GK1161275SQ96122449
公开日1997年10月8日 申请日期1996年9月27日 优先权日1995年9月28日
发明者M·酒井, Y·立野, K·荒井, K·守冈 申请人:富士重工业株式会社