复合齿轮以及制造这种齿轮的方法与流程

本公开大体涉及齿轮，更具体地涉及复合金属(bimetallic)齿轮以及制造复合金属齿轮的方法。

背景技术：

齿轮用在工作车辆和其它类型的机器应用中以例如在车辆变速器组件内传递扭矩。通常，在铸造工艺中形成齿轮，这可能限制可以制造齿轮的材料的数量和类型。某些材料的使用可能使齿轮的特性(例如，硬度，耐磨性等)对于某些应用来说不能达到最佳标准。

技术实现要素：

本公开提供了对多材料齿轮(复合金属齿轮或双金属齿轮(bimetallicgear)等)的改进以及用于制造这种齿轮的方法，其可以导致增强的齿轮性能。

本公开的一个方面提供一种齿轮，所述齿轮包括由第一材料形成的内部部分；由第二材料形成的外部部分，所述第二材料熔化和固化到所述内部部分上；以及多个齿，所述齿在所述第二材料已经固化之后形成在所述外部部分中。

在本公开的另一方面，提供一种形成齿轮的方法。所述方法包括：由第一材料形成齿轮的内部部分；在所述第一材料上熔化第二材料并且将熔化的第二材料固化以形成所述齿轮的外部部分；以及在所述第二材料已经固化之后在所述齿轮的外部部分中形成齿。

在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求，其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据一个示例性实施例的齿轮的透视图；

图2是根据一个示例性实施例的用于制造图1的齿轮的中间制品的透视图；

图3是用于制造图1的齿轮的系统的示意性功能框图；

图4-7是根据各种示例实施例的图1的齿轮的部分的详细视图；以及

图8是示出根据示例的用于制造复合金属齿轮的方法的流程图。

各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

以下描述了所公开的多材料齿轮的一个或多个示例性实施例，如上面简要描述的附图中所示。本领域技术人员可以想到对示例实施例的各种修改。

如本文所用，除非另外限制或改变，具有由连词(例如，“和”)分离的并且还由短语“一个或多个”或“至少一个”在前的元件的列表指示潜在地包括列表的单独元件或其任何组合的构造或装置。例如，“a、b和c中的至少一个”或“a、b和c中的一个或多个”表示仅a、仪b、仅c或a、b和c中的两个或多个的任何组合(例如，a和b；b和c；a和c；或a、b和c)的可能性。

如上所述，以下描述了复合材料或多材料齿轮的一个或多个示例和用于制造这种齿轮的方法。如本文所使用的，术语“复合材料”和“多材料”是指包括至少两种不同的构成材料的元件，其中所述至少两种不同的构成材料包括两种或更多种不同的金属和非金属材料并具有一种或多种不同的材料性质。在某些情况下，各种构成材料以至少部分地产生具有不同于构成材料的一种或多种材料性质的另一材料的方式结合(例如，物理地，化学地等)。也如本文所使用的，术语“齿轮”是指用于扭矩传递的任何部件，包括各种已知构造中的任何一种，例如内齿轮、螺旋齿轮、双曲线齿轮(skewgears)、锥齿轮(bevelgears)、准双曲面齿轮(hypoidgears)、冠齿轮(crowngear)，蜗轮、非圆齿轮、齿条和小齿轮布置、太阳和行星轮布置、谐波齿轮(harmonicgears)和笼齿轮(cagegears)。此外，下面的讨论参考具有轴向、径向和圆周定向的柱面坐标系。通常，下面的示例提供了相对于常规方法具有增强或期望的特性的齿轮。

如图1所示，在一些实施例中，齿轮100可以被认为包括齿轮工业中常见的许多特征，这将在下面的讨论中引用。通常，齿轮100是具有齿110的旋转机械部件，齿110与另一齿部件(未示出)啮合以传递扭矩。齿轮100可以结合到任何合适的较大机器或车辆系统中，例如车辆变速器组件或其中扭矩被传递的任何应用。

图1中示出的示例齿轮100是具有孔102的正齿轮或直切齿轮，所述孔102使得齿轮100能够安装在轴(未示出)上。虽然在图1中描绘了正齿轮，其它实施例可适用于任何类型的齿轮或齿轮元件，如上面所描述的。如图所示，齿轮100可包括内圆柱(或圆盘)104，齿110从该内圆柱(或圆盘)104沿径向方向突出。外圆柱106(部分示出)被认为是与齿110的尖端(或顶点)重合的表面。另外，齿轮100可以限定有节圆108(部分示出)，其对应于其中齿轮100无滑动地滚动的假想圆。

齿110可以通过沿着内圆柱104的表面的齿槽底面112彼此分离，并且齿110具有形成在外圆柱106的外周中的齿顶面114。每个齿110可以被认为具有齿根116和齿顶118。如在一个齿110上所示意性地标记的那样，齿110的齿根116从齿槽底面112延伸到节圆108，并且齿110的齿顶118从节圆108延伸到齿顶面114。也如在一个齿110上示意性地标记的那样，每个齿110可以被认为具有齿表面120和齿芯122。

如下面更详细描述的，齿轮100可以由为期望的性质而选择的两种、三种或更多种不同的材料形成。例如，齿轮100的某些方面可以由具有产生第一特性(例如相对硬度)的微结构的第一材料形成，而齿轮100的其他方面可以由具有产生第二特性(如相对韧性)的微结构的第二材料形成。在一些示例中，至少第三材料可以用作第一和第二材料之间的过渡。第三材料可以是第一和第二材料的合金或完全不同的材料。齿轮100的一个或多个部分可以用直接能量沉积工艺形成，其中材料被熔化并固化入齿轮100的整个3d结构的连续层，如下面更详细地描述的。

图2示出了可用于形成图1的齿轮100的中间制品200。如图所示，中间制品200是圆柱体，其由彼此同轴布置的三个材料部分或组成部分210、220、230选择性地形成。虽然在图2中示出了三个材料部分210、220、230，其他示例可以仅具有两个材料部分或多于三个材料部分。此外，在一些示例中，部分210、220、230可以具有除了同轴之外的关系。

在一个示例中，每个材料部分210、220、230由不同的材料形成。在另一个示例中，材料部分210由第一材料形成，材料部分230由第二材料形成，材料部分220由第一和第二材料的合金形成。在这样的示例中，部分220的材料可以由第一和第二材料的预定比率(例如，50％/50％)形成或作为具有第一和第二材料的变化的量的过渡的梯度形成。作为示例，梯度在部分210和部分220之间的边界处可以由100％的第一材料形成，并且在径向方向上过渡到在部分220中的径向中间点处的50％的第一材料和50％的第二材料，直到在部分220、230之间的边界处达到100％的第二材料。

如上所述，材料部分210、220、230中的一个、两个或所有三个可以通过直接能量沉积的添加制造技术形成，特别是直接能量沉积工艺技术，其中材料部分210、220、230中的至少一个通过将相应材料熔化并沉积在指定位置中以固化成所需形状而形成。例如，部分210可以由相对便宜的材料铸造或形成为坯件或毂，并且随后可以使用直接能量沉积形成部分220、230，但是任何组合都是可能的。下面提供关于直接能量沉积工艺的其它细节。

在形成中间制品200时，齿轮的结构特征可以被加工或以其它方式形成到适当的部分210、220、230中。作为一个示例，齿(例如，齿110)可以切入到最外面的部分230中，从而产生其中齿由最外面部分230的材料形成、而其它部分210、220由不同的材料形成的齿轮。在另一个示例中，齿(例如，齿110)可以被切入到两个最外部分220、230的至少一部分，从而产生其中齿的第一部分由部分230的材料形成并且齿的第二部分由部分220的材料形成的齿轮。

尽管图2描绘了其中齿随后被切割的圆柱形中间制品200，其他示例可以初始地提供第一中间制品(例如，仅部分210、220)，齿或其他结构方面从该第一中间制品被切割或以其他方式形成，并且随后，附加的材料层(例如，作为部分230)沉积或以其它方式提供以形成进一步的中间制品。以下讨论其他示例。

图3是用于制造图1的齿轮100的系统300的示意性功能框图。在所描绘的示例中，系统300是热喷涂系统，其使用直接能量沉积工艺以由两种或更多种材料形成中间齿轮制品，或者将两种或更多种材料沉积在先前形成的中间齿轮制品上，如下面所述的那样。通常，使用热源来熔化粉末、线或棒形式的材料的任何热工艺，使得沉积或以其它方式提供在下面的材料上的熔融或半熔融材料相对快速地淬火并固化以与下面材料的表面结合。热处理的一个示例是下面参照图3描述的热喷涂系统300，但是可以提供其它示例，包括直接金属激光烧结(dmls)。

系统300包括喷射或沉积装置310、控制器340、用户界面(或人机界面)350和材料源360、370，材料源360、370用于形成布置在支撑装置304上的沉积层302。如上所述，连续的沉积层302形成中间齿轮制品(例如，中间制品200)，中间齿轮制品又被制成齿轮(例如齿轮100)。

如图所示，喷射装置310包括容纳能量源316的框架元件312。能量源316布置在室320处的在框架元件312的第一端上的开口318附近。在所示的实施例中，能量源316是燃烧火焰，其中燃料和空气混合物被点燃并燃烧。在其他实施例中，能量源316可以是激光、等离子体射流、电子束或电弧的形式。在任何情况下，能量源316将能量引导到室320中以熔化室320中的任何材料，如下所述。

第一材料进给装置322和第二材料进给装置324布置成靠近框架元件312的第一端，以选择性地将材料输送到室320中。材料进给装置322、324分别从材料源360、370抽吸或接收材料。例如，第一材料进给装置322可以在没有第二材料进给装置324的情况下操作，使得仅第一材料被输送到室320；第二材料进给装置324可在没有第一材料进给装置322的情况下操作，使得仅第二材料被输送到室320；并且两个材料馈送装置322、324可以同时操作以将两种材料以预定比率传送到室320。

进给装置322、324终止于将材料引导到室320中的喷嘴或其它形式的出口。通常，材料源360、370是为所需性质而选择的不同材料。在一个示例中，材料源360、370是粉末材料的形式，在进一步的示例中，材料源360、370是线材的形式。进给装置322、324可构造成以这些各种形式输送材料。

在室320中，能量源316熔化离开材料进给装置322、324的材料。能量源316可以用作推进物，或者推进机构可以用于将熔化的材料引出室320使得所产生的熔融材料喷射物被喷射到沉积层302上。当在室320中具有多于一种材料时，所述多于一种材料被熔化在一起以形成合金。

系统300的各种组件可操作地耦合到控制器340(或其他组件)，以控制系统300的操作的各个方面。控制器340(或其他)可以被配置为具有相关联的处理器装置和存储器架构的计算装置，或被配置为硬连线计算电路(或多个电路)，或配置为可编程电路或其它。因此，控制器340可以被配置为执行关于系统300(或其他机械)的各种计算和控制功能。在一些实施例中，控制器340可以被配置为接收输入命令并且经由用户接口350与操作者交互。用户接口350可以是输入设备和输出设备并且以各种方式配置。在一些实施例中，用户界面350可以包括一个或多个操纵杆、各种开关或控制杆、一个或多个按钮、可以覆盖在显示器、键盘、扬声器或与语音识别系统相关联的麦克风或各种其他人机接口设备上的触摸屏界面。

在一个示例中，控制器340依赖于可以以任何合适的方式限定的设计模型。例如，可以使用计算机辅助设计(cad)软件来设计模型。该模型可以包括沉积层、中间齿轮制品和齿轮的整体构造的3d数字坐标。在一个示例性实施例中，该模型可以包括一起形成3d部件的多个连续的2d横截面切片。该模型还可以由所选择的材料源360、370定义。特别地，所述模型可限定用于特定层或是层内特定位置的专门的材料(例如材料源360或材料源370)或指定的材料的组合(例如，x％的材料源360以及y％材料源370)。

因此，在操作期间，控制器340向材料源360、370、材料进给装置322、324，喷射装置310和/或支撑装置304提供适当的命令。例如，基于所述模型，控制器340使喷射装置310和/或支撑装置304相对于彼此定位，使得腔室320被定位成适当地接近沉积层302。控制器340命令材料进给装置322、324输送指定量的每种材料到室320中以通过能量源316熔化。更具体地，控制能量源316的速度、位置、温度和其它操作参数以选择性地熔化和混合室320中的材料。熔融材料被引导(例如，喷射或以其它方式沉积)以在下面的结构上固化，以形成沉积层302。熔化和混合通过固化成固溶体、混合物或金属间化合物而产生两种或更多种材料的均匀的合金。

控制器340可以相对于轴向、径向和圆周位置以及时间来控制材料源360、370、材料进给装置322、324、喷射装置310和/或支撑装置304。控制器340重复和/或继续命令系统300的部件以形成连续的沉积层302，直到结束。

如上所述，材料源360、370的材料可以被选择用于特定的特性，例如增强的耐磨性、强度、耐用性、韧性、硬度、热处理能力、疲劳性能、延展性、磁性能、成本和使用寿命。此外，对这种特性的需要可能是位置的函数。例如，某些材料可以特别适合于表面特征，而其它材料可以特别适合于内部部分。

在形成后，可以实施后续加工步骤，包括切割、研磨、热处理、抛光和/或溶解。在一个或多个这些后续步骤之后，在一些示例中，可以采用进一步的直接能量沉积以形成附加层。

如上所述，直接能量沉积工艺可用于形成具有各种类型的结构和材料的齿轮元件。图4-7是可以根据本文的描述形成的齿轮400、500、600、700的示例。

通常，热喷涂工艺或其它直接能量沉积工艺使得能够所需位置处连续沉积各种材用于特定的有利的特性。此外，热喷涂工艺能够以期望的比例熔化和固化两种或更多种材料，从而产生具有与基础材料不同的特性集合的合金。这使得能够基于期望的性能定制目标齿轮部分的化学组成，并且相对于其它齿轮成形技术例如铸造、焊接或冷喷涂工艺特别有利。

作为一种组合的实例，具有有利的韧性特性的第一材料(例如贝氏体)可用于形成齿轮的内部部分，具有有利的表面硬度特性的第二材料(例如马氏体)可用于形成齿轮的表面部分，并且可以在内部部分和表面部分之间提供第一和第二材料(或不同材料)的过渡合金材料，以避免特别是在热处理期间的过渡问题。合适的材料可以包括例如低碳钢和高碳钢。

图4是齿轮400的一部分，其包括内部部分或内部组成部分410和外部部分或外部组成部分420。在该示例中，内部部分410和外部部分420由具有不同特性的不同材料形成。至少外部部分420利用直接能量沉积工艺形成，例如上述的热喷涂工艺。如图所示，齿402形成在外部部分420中。

图5示出齿轮500的一部分，齿轮500包括由第一材料形成的内部部分或内部组成部分510，由第二材料形成的外部部分或外部组成部分530以及由第三材料形成的中间部分或中间组成部分520。在一个示例中，中间部分520的第三材料由第一和第二材料的合金形成。在该示例中，齿502形成为使得齿顶506由第二材料形成在外部部分530中，齿根504由第三材料形成在中间部分520中。齿轮500可以例如通过使用直接能量沉积工艺以将中间部分520沉积到内部部分510上并将外部部分530沉积到中间部分520上来形成。随后，齿502以适当的深度被切入到外部部分530和中间部分520中。

图6示出齿轮600的一部分，其包括由第一材料形成的内部部分或内部组成部分610，由第二材料形成的外部部分或外部组成部分630以及由第三材料形成的中间部分或中间组成部分620。在一个示例中，中间部分620的第三材料由第一材料和第二材料的合金形成。在该示例中，齿602形成为使得齿表面606通过第二材料形成在外部部分630中，并且齿芯604通过第三材料形成在中间部分620中。齿轮600可以例如通过使用直接能量沉积工艺以将中间部分620沉积到内部部分610来形成。随后，每个齿芯604形成在中间部分620中。此外，齿面606通过使用直接能量沉积工艺形成，以将外部部分630沉积到中间部分620的齿芯604上。

图7示出齿轮700的一部分，其包括由第一材料形成的内部部分或内部组成部分710、由第二材料形成的中间部分或中间组成部分720、由第三材料形成的过渡部分或过渡组成部分730，以及由第四材料形成的外部部分或外部组成部分740。在一个示例中，过渡部分730的第三材料由第二和第四材料的合金形成。在该示例中，齿702形成为使得齿表面750的第一部分形成在外部部分740中，齿表面752的第二部分形成在过渡部分730中，并且齿芯754通过第三材料形成在中间部分720中。齿轮700可以例如通过使用直接能量沉积工艺来形成，以将中间部分720沉积到内部部分710上。随后，每个齿芯754形成在中间部分720中。此外，过渡部分730和外部部分740沉积在中间部分720上，使得可形成齿表面750、752的第一部分和第二部分。因此，可以针对目标位置中的期望属性选择各个部分710、720、730、740。例如，外部部分740的材料可以由于耐磨性被选择，过渡部分730的材料可以由于疲劳或热处理能力被选择，中间部分720的材料可以由于延展性或韧性被选择，并且内部部分710的材料可以由于成本被选择。

图8是示出根据示例的用于制造复合材料或多材料齿轮(例如，复合金属齿轮)的方法800的流程图。在第一步骤805中，创建复合金属齿轮的模型，该模型限定用于形成复合金属齿轮的材料的相应位置。在步骤810中，提供齿轮的内部部分。该部分可以是使用直接能量沉积工艺铸造和/或形成的第一材料的圆柱体或坯料。在步骤815中，在先前形成的部分上，例如内部部分(在初始迭代中)和/或另一部分(在随后的迭代中，如下所述)上形成不同材料的另一部分。在一个示例中，使用直接能量沉积工艺形成该另一部分。在步骤820中，相对于当前部分来评估结构特征。在一个示例中，可以鉴于步骤805的模型来评估这些特征。如果结构特征适合于当前部分，则方法800进行到步骤825。在步骤825中，例如通过切割或研磨形成结构特征，并且方法800进行到步骤830。如果结构特征不适合当前部分，则方法800进行到步骤830。在步骤830中，相对于当前部分评估处理工艺。这种处理工艺可以包括例如热处理。在一个示例中，可以鉴于步骤805的模型来评估这样的处理工艺。如果处理工艺适合于当前部分，则方法800进行到步骤825。在步骤825中，当前部分经历处理工艺，并且方法800进行到步骤830。如果处理工艺不适合于当前部分，则方法800进行到步骤840。在一些示例中，步骤820、825和步骤830、835可以颠倒。在步骤840中，考虑额外的部分。在一个示例中，可以鉴于步骤805的模型来评估这样的额外部分。如果不需要附加部分，则方法800进行到步骤845，其中齿轮完成或以其它方式结束。如果需要额外部分，则方法800返回到步骤815，如上面所描述的那样。

如本领域技术人员将理解的，所公开的主题的某些方面可以体现为方法、系统或计算机程序产品。因此，某些实施例可以完全作为硬件、完全作为软件(包括固件、常驻软件、微代码等)或作为软件和硬件(和其他)方面的组合来实现。此外，某些实施例可以采取在计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机可用存储介质具有嵌入在介质中的计算机可用程序代码。

任何合适的计算机可使用介质或计算机可读介质都可使用。计算机可使用介质可为计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可使用介质、或计算机可读介质、存储介质(包括与计算装置或客户端电子装置相关的存储装置)可为但是不限于例如电子的、磁的、光学的、电磁的、红外线的或半导体的系统、设备或装置，或上面这些的任何合适的组合。计算机可读介质的更具体的示例(非详尽的列表)将包括下列：具有一个或更多电线的电气连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光存储装置。这本文的情况下，计算机可使用的、或计算机可读的存储介质可为任何有形介质，该有形介质可包括或存储程序，用于由指令执行系统、设备或装置使用或与指令执行系统、设备或装置结合使用。

计算机可读信号介质可以包括具有被包含在其中的计算机可读程序代码的传播数据信号。该传播信号可以采取任何各种形式，该形式包括但是不受限于电磁的、光学的或其任何适当的结合。计算机可读信号介质可以是永久性的，并且可以是非计算机可读存储介质的并且可以传递、传播或运输由指令执行系统、设备或装置使用或与其连接的程序的任何计算机可读介质。

本文参照根据本公开的实施例的方法的流程示意图和/或方框示意图、设备(系统)和计算机程序产品，来描述某些实施例的方面。将理解，任何流程示意图和/或方框示意图中的每个方框，和流程示意图和/或方框示意图中的方框的结合，可以由计算机程序指令执行。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机或其它的可编程数据处理设备的处理器以引导机械，使得通过计算机或其它的可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于执行在流程图和/或方框或多个方框的方框图中规定的功能/作用的装置。

这些计算机程序指令还可以被存储在可以引导计算机或其它的可编程数据处理设备以特定的方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在计算机可读存储器中的指令形成制品，该制品包括执行在流程图和/或方框或多个方框的方框图中规定的功能/作用的指令。

计算机程序指令还可以被加载到计算机或其它的可编程数据处理设备上，以促使一系列操作步骤在计算机或其它的可编程设备上被执行，以形成计算机执行的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于执行流程图和/或方框或多个方框的方框图中规定的功能/作用的步骤。

附图中的流程图和方框图，或上面的类似讨论，示出了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的架构、功能和可能的实现方式的操作。在这点上，流程图或方框示意图中的每个方框可以表示代码的模块、段或部分，所述代码包括一个或多个可执行的指令，用于执行规定的逻辑功能(多个功能)。还应该注意，在一些可替换的实现方式中，方框中标明的功能(或本文描述的其它方面)可以不按照附图中标明的次序发生。例如，连续示出的两个方框(或依次描述的两个操作)实际上可以被大致同时执行，或方框可以有时被相反次序地执行，这依赖取决于涉及的功能。还将理解，任何方框示意图和/或流程示意图中的每个方框和任何方框示意图和/或流程示意图中方框的结合可以由执行规定功能或作用的基于硬件的专用系统，或专用硬件和计算机指令的结合执行。

本文中使用的术语仅为了描述特定的实施例并且不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“a”，“an”和“the”旨在还包括多个形式，除非上下文以其他方式清楚地指示。将进一步理解，在本说明书中，术语“包括”和/或“包括了”的任何使用表示规定的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

已经出于图示和描述的目的来呈现本发明的描述，但是该描述不旨在详尽规定或受限于公开形式的本发明。在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，许多修改和变化将对于本领域的技术人员是显而易见的。本文中明确地引用的实施例被选择和描述，以最佳地解释本发明的原理和它们的实际应用，并且能使在本领域技能普通的其他人员理解本发明和认识到许多关于描述的示例的供选方案、修改和变化。相应地，除了那些明确地描述的实现方式外的各种实施例和实现方式在下述权利要求的范围中。