DE4003178A1

DE4003178A1 - Zahnrad mit einem zahnbereich aus einem harz

Info

Publication number: DE4003178A1
Application number: DE4003178A
Authority: DE
Inventors: Mitsuzo Mikuni
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1989-03-16
Filing date: 1990-02-03
Publication date: 1990-09-20
Also published as: JPH02241729A; GB2229249B; GB2229249A; US5059464A; GB8928527D0; JPH064299B2

Description

Zahnräder, bei denen der Zahnbereich aus einem Harz besteht, werden vielfach verwendet, weil sie im Eingriff leise arbeiten, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abnützung auf weisen, von geringem Gewicht sind und eine geringe Trägheit haben. Um die Festigkeit des aus Harz bestehenden Teiles der Zahnräder gegenüber Belastungen zu erhöhen, wird das für den Zahnbereich verwendete Harz mit einem organischen oder anorganischen Bewehrungsmaterial vermischt. Dieses Be wehrungsmaterial liegt in Form von Granulat, Fasern oder Gewebe vor.

Beispielsweise haben Glasfasern mit denen das für den Zahnbereich verwendete Harz vermischt wird, die Aufgabe, die Festigkeit und den Wärmedurchlaßwiderstand des Zahnbereiches der Zahnräder zu verbessern. Dies führt aber dazu, daß die Oberfläche der Zähne eines gegenüberliegenden Zahnrades außer ordentlich stark abgenützt wird. Dies hat wiederum zur Folge, daß Zahnräder mit einem Zahnbereich aus bewehrtem Harz nicht für Anwendungsgebiete geeignet sind, in denen die Zahnräder einer hohen Belastung ausgesetzt sind.

Es wurde dahar im allgemeinen Baumwollgewebe als Bewehrungs material verwendet. Das Baumwollgewebe wird mit Phenolharz zur Bildung eines bawehrten Harzes imprägniert und in Formen unter Druckanwendung thermisch geformt. Die Zahnräder werden mit Hilfe einer Zahnradfräsmaschine aus den Formstücken herausgeschnitten. Diese Zahnräder weisen eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenübar Verschleiß und darüber hinaus verschiedene durchschnittliche Eigenschaften auf, die man bei Zahnrädern benötigt.

Solche Zahnräder mit Zahnbereichen aus mit Baumwollgewebe bewehrtem Phanolharz sind aber für Anwendungen, bei denen größare Festigkeit verlangt wird, aufgrund der Eigenschaften des Baumwollgewebes nicht geeignet. Außerdem ist ihre Lebensdauer gering, falls sie mit Schmieröl einer hohen Temperatur von 100 bis 130°C, beispielsweise als Ventil- Steuerung für einen Automotor eingesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Zahnrades, dessen Zahnbereich aus einem Phenolharz besteht, das eine hohe Abriebfestigkeit, einen hohen Wärmedurchlaßwiderstand und eine große Lebensdauer aufweist. Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zahnrades. Dabei soll das Verfahren eine effektive Arbeitsweise er möglichen.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Zahnrad mit einem Zahnbereich, gebildet durch einen Form körper aus Phenolharz, das mit einem Bewehrungsmaterial im prägniert und unter Druck erhitzt wird, das Bewehrungsmaterial aus einem Gewebe besteht, das aus verzwirnten metaaromatischen Polyamidfasern hergestellt ist und daß das Phenolharz mit Epoxyharz imprägniert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Zahnrades mit einem Zahnbereich aus Phenolharz ist durch nachstehende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) Imprägnieren des aus gezwirnter metaaromatischer Polyamidfaser herstellten Gewebes mit Phenolharz, das mit Epoxyharz vermischt wurde,
b) Zerschneiden des Gewebes in Teilstücke mit einer vorgegebenen Größe, nachdem des mit Epoxyharz vermischte Phenolharz getrocknet ist,
c) Zusammenrollen der Gewebeteilstücke unter Erwärmung zu Stangen und Verformen der Stangen zu Ringen,
d) Einbringen mindestens eines Ringes zusammen mit dem Gießmaterial für ein Blatt, eine Lochplatte und eine Radbuchse in eine Form und thermisches Verformen unter Druckanwendung zur Herstellung eines Formkörpers und
e) Ausbildung der Zähne durch mechanische Bearbeitung des am Formkörper befindlichen Ringes.

Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der nach stehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Hierin zeigen:

Fig. 1A ein Gewebe, wie es für die Herstellung eines Zahnrades mit einem Zahnbereich aus Phenol harz verwendet wird,

Fig. 1B ein Teilstück des Gewebes nach Fig. 1A in zusammengerolltem Zustand,

Fig. 1C des in Fig. 1B gezeigte zusammengerollte Gewebe, geformt zu einem Ring,

Fig. 1D einen Querschnitt eines Teiles des für das Zahnrad mit einem Zahnbereich aus Phenolharz verwendeten Materials,

Fig. 1E eine Vorderansicht eines Teilstückes des Zahnrades mit einem Zahnbereich aus Phenolharz,

Fig. 2 die Kontaktbeanspruchung der Zahnflächen der erfindungsgemäßen Zahnräder, der Zahnräder nach dem Stand der Technik und der Vergleichszahnräder bezogen auf die Gesamtdrehzahl,

Fig. 3A die Biegefestigkeit der Zahnräder nach der Erfindung, der Zahnräder nach dem Stand der Technik und der Vergleichszahnräder und

Fig. 3B die Druckfestigkeit der Zahnräder nach der Erfindung, der Zahnräder nach dem Stand der Technik und der Vergleichszahnräder.

In den Fig. 1D und 1E ist ein Zahnrad 10 nach der Erfindung mit Zähnen aus Phenolharz gezeigt. Das Zahnrad 10 weist eine Radbuchse 12, eine Lochplatte 14,ein Blatt 16 und einen Zahnbereich 18, die miteinander einstückig ausgebildet sind, auf. Der Zahnbereich 18 besteht aus einem Formteil aus Phenolharz, das mit einem Bewehrungsmaterial imprägniert und thermisch verpreßt wurde. Des Bewehrungsmaterial ist im wesentlichen ein Gewebe aus einer verzwirnten metaaro matischen Polyamidfaser. Das Phenolharz ist mit Epoxyharz imprägniert. Unter dem hier in Frage stehenden Gewebe soll ein Gewebe verstanden werden, das mit Garnen, die durch Verzwirnen von Fasern von einigen Zenti metern Länge gewonnen wurden, gewebt ist.

Das Zahnrad mit einem Zahnbereich aus Phenolharz kann grundsätzlich nach dem in der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung 29 683/1971 beschriebenen Verfahren herge stellt werden. Dabei wird das mit Phenolharzzähnen ausge stattete Zahnrad 10 durch folgende Verfahrensschritte herge stellt:

a) Ein aus gezwirnten metaaromatischen Polyamidfasern ge webtes Gewebe wird mit Phenolharz, gemischt mit Epoxyharz, imprägniert.
b) Nachdem das mit Epoxyharz vermischte Phenolharz getrocknet ist, wird das aus verzwirnten metaaromatischen Polyamid fasern hergestellte Gewebe in Teilstücke vorgegebener Größe zugeschnitten.
c) Die Gewebeteilstücke werden unter Erwärmung zu einer Rolle zusammengerollt. Dann werden die Rollen zu Ringen zusammengebogen.
d) Einige der Ringe werden mit dem Gießmaterial für die Herstellung eines Blattes,einer Lochplatte und einer Radbuchse in eine Form gelegt und unter Druck thermisch verformt, um ein Formteil herzustellen.
e) Schließlich werden die Zähne des auf dem Formteil befindlichen Ringes mechanisch bearbeitet, um das Zahnrad mit einem Zahnbereich aus Phenolharz zu erzeugen.

Die Faser aus aromatischem Polyamid weist eine außerordent lich hohe Widerstandsfähigkeit auf. Ihre Fähigkeit, sich mit Phenolharz, mit dem die Faser imprägniert werden soll, zu verbinden, ist aber nicht gut. Das aus verzwirnten Fasern aus aromatischem Polyamid hergestellte Gewebe verbindet sich sehr gut mit Kunstharz, da des genannte Gewebe eine lockere Oberfläche aufweist.

Die besondere Kombination der für das genannte Gewebe ver wendeten metaaromatischen Polyamidfaser und Epoxyharz, mit dem das Phenolharz vermischt wird, bewirkt, daß die chemische Festigkeit der Bindung zwischen dem genannten Gewebe und dem Imprägnierungsharz stark verbessert wird. Dabei soll darauf hingewiesen werden, daß eine paraaromatische Polyamidfaser das Bindungsvermögen nicht in vollem Maße verbessern kann.

Für die Herstellung eines Zahnrades mit einem Zahnbereich aus Phenolharz nach der Erfindung wird das Gewebestück, des aus verzwirnten Fasern aus metaaromatischem Polyamid gewebt, mit Phenolharz, das Epoxyharz enthält, imprägniert, getrocknet und zugeschnitten wurde, zu einer stangen förmigen Rolle zusammengerollt, wobei das Zusammenrollen im wesentlichen unter Erwärmen erfolgt. Dies hat seinen Grund darin, daß durch die Erwärmung das Harz, mit dem des Gewebe imprägniert wurde, erweicht. Hierdurch kann das Gewebestück leichter so zusammengerollt werden, daß die einzelnen Windungen der Rolle lückenlos dicht aufeinander liegen.

Das aus verzwirnten metaaromatischen Polyamidfasern herge stellte Gewebe besteht vorzugsweise aus geschnittenen Fasern von 2 bis 5 den., die so zusammengezwirnt werden, daß sie ein der Nr. 20 nach dem Baumwollgarnstandard entsprechendes oder noch dünneres Garn bilden. Die verzwirnten Garne werden mit einer Dichte von 50 bis 60 Fäden/inch. d.h. 20 bis 24 Fäden/cm für Kette und Schuß verwebt. Die Fasern selbst weisen vorzugsweise feine Längskräuselungen auf, wenn sie gesponnen und gedehnt werden, da die Längskräuselungen bewirken, daß ihr physikalisches Bindevermögen mit dem Harz verbessert wird. Die genannten Längskräuselungen können dadurch hergestellt werden, daß das geschmolzene aromatische Polyamid in Luft in Form eines Fadens gezogen und beim Dehnen gekühlt wird.

Das Mischungsverhältnis von Epoxyharz zu Phenolharz beträgt vorzugsweise 0,01 bis 20 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile festen Phenolharzes. Der Harzanteil, mit dem das Gewebe impräg niert wird, beträgt vorzugsweise 50 bis 65 Gewichtsprozent.

Beispiel

Es wurde ein Gewebe aus gedehntem, verzwirntem Polymetaphenylen isophthalamidfasern (elongated spinned cloth of polymeta phenylene isophtal amide fiber), das im Handel als Conex von Tejin, Japan, erhältlich ist, verwendet. Die Fasern wiesen eine feine Längskräuselung auf ihrer Oberfläche auf und hatten eine Stärke von 2 den. Das Garn hat eine Stärke, die der Nr. 20 des Baumwollgarnstandards entspricht. Das Gewebe weist eine Dichte von ca. 22 Fäden/cm (55 Fäden/inch.) in Kette und Schuß auf. Das verwendete Harz bestand aus 100 Teilen Phenolharz, das mit 5 Teilen Epoxyharz vermischt worden war. Das Gewebe aus den verzwirnten Polyamidfasern wurde mit dem Herz in einem Anteil von 55 Gewichtsprozent im prägniert.

Das Gewebe 20 wurde in Teilstücke 22 vorgegebener Größe, wie in Fig. 1A gezeigt ist, zerschnitten. Dabei wurde das Gewebe 20 so zugeschnitten, daß das Teilstück 22 die Form eines Rhomboids hatte, dessen Längsseite relativ zur Kette 20 a geneigt, nicht aber senkrecht dazu verlief. Das rauten förmige Stück 22 wurde auf eine Heizplatte von 140°C gelegt und dort erhitzt, so daß das imprägnierte Harz erweichte. Anschließend wurde des Gewebestück 22 um eine Achse der Längsseite des Rhomboids, wie aus Fig. 1B zu erkennen, stangenförmig zusammengerollt. Die gebildete Stange 24 wurde zu einem Ring 26, siehe Fig. 1C, zusammengebogen. Der Ring 26 bildete einen Teil aus dem der Zahnbereich 18 herge stellt werden sollte.

Wie aus Fig. 1D zu erkennen, wurden zwei Ringe 24 übereinanderge legt und zusammen mit Gießmaterial für die Herstellung des Blattes 16, der Lochplatte 14 und der Radbuchse 12 in eine nicht dargestellte Form gebracht und unter Druck erhitzt, um einen Formkörper 28 auszubilden. Als Gießmaterial für das Blatt und die Lochplatte wurde eine Verbindung eines Baumwollgewebestückes, imprägniert mit Phenolharz das dann getrocknet wurde, mit einem aus Glasfasern hergestellten Gewebes verwendet.

Der auf die beschriebene Weise hergestellte Formkörper 28 wurde mit einer Zahnradfräsmaschine (nicht dargestellt) bearbeitet, um Zähne auf den Ringen 18 des Formkörpers 28 wie aus Fig. 1E zu erkennen, zu bilden. Da die Teilstücke 22 in der in Fig. 1A gezeigten Form zu der Stange 24 nach Fig. 1B zusammengerollt wurden, entspricht der Verlauf der Fäden des Gewebes der Richtung, in der der Zahnfuß des Zahnrades nach Fig. 1E beansprucht wird. Hierdurch wird die physikalische Festigkeit der nach der Erfindung gebildeten Zähne höher als wenn die Zähne in dem Formkörper so hergestellt worden wären, daß die Fadenrichtung des Gewebes beim Zusammenrollen und beim Deformieren des Teil stückes zu einem Ring konzentrisch und radial zur Kett richtung verlaufen.

Das Zahnrad (OP 10, P 20 Grad und Anzahl der Zähne 54), des in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt wurde, wurde mit einem Zahnrad aus Eisen JIS S 45C in Eingriff gebracht und in Schmieröl von 130°C in Drehung versetzt. Die Beanspruchung, die in diesem Beispiel auf die obere Hälfte der Zahnflanke des Zahnrades ausgeübt wurde, relativ zur Drehzahl des Zahn rades, ist durch kreisförmige Markierungen in Fig. 2 einge zeichnet. Die gesamte Umdrehungszahl des Zahnrades betrug 3×10⁸ im Belastungszustand, bei der die auf die Zahnflanke ausgeübte Beanspruchung 16 kg/cm² betrug.

Es soll noch angemerkt werden, deß das Gewebe noch lockerer gemacht werden kenn, wenn man es nach dem Spinnen bürstet.

Stand der Technik

Ein Baumwollgewebe mit einer Fadenstärke der Nr. 20 nach dem Baumwollstandard und einer Dichte von 22 Fäden pro cm (55 Fäden/inch) in Kette und Schuß, wurde mit Phenolharz imprägniert, des nicht mit Epoxyharz vermischt worden war und getrocknet. Der Harzanteil betrug 55 Gewichtsprozent. Das Zahnrad mit einem Zahnbereich aus Harz wurde unter Ver wendung des bewehrten Harzes in gleicher Weise wie beim vorstehenden Beispiel beschrieben, hergestellt.

Vergleich

Ein Gewebe, das aus verzwirnten Polyparaphenylenterephathal amidfasern hergestellt ist, die im Handel unter der Bezeichnung Kevler von Dupont erhältlich sind, und in Stärke und Dichte mit denen des vorstehend beschriebenen Beispiels übereinstimmten, wurde mit Phenolharz, das nicht mit Epoxyharz vermischt worden war, imprägniert und getrocknet. Der Harzanteil betrug 55 Gewichtsprozent. Ein Zahnrad mit einem Zahnbereich aus Harz wurde unter Verwendung des bewehrten Harzes wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben, hergestellt.

Fig. 2 zeigt auch die Eigenschaften der Zahnräder, die nach dem Stand der Technik (quadratische Markierungen)und nach dem vorstehend beschriebenen Vergleichsverfahren (dreieckige Markierungen) hergestellt wurden. Fig. 3A und 3B zeigen die Veränderungen der Biegefestigkeit und der Druck festigkeit, die die Zahnräder, die nach dem Beispiel bzw. nach dem Verfahren nach dem Stand der Technik und dem Vergleichsverfahren hergestellt wurden, in Luft bei 180°C aufwiesen. Auch hier entsprechen die kreisförmigen, die quadratischen und die dreieckigen Markierungen wie vorher den Messungen für die Zahnräder nach dem Beispiel bzw. nach dem Stand der Technik und dem Vergleich. Die Figuren erweisen, daß das nach dem Beispiel hergestellte Zahnrad bessere physikalische Festigkeiten aufwies, als die nach dem Stand der Technik bzw. dem Ver gleichsverfahren hergestellten Zahnräder. Es soll aber darauf hingewiesen werden, daß das nach dem Vergleichs verfahren hergestellte Zahnrad aus einem Gewebe aus para aromatischer Polyamidfaser und Phenolharz, das nicht mit Epoxyharz vermischt worden wer, eine ausgezeichnete an fängliche physikalische Festigkeit zeigte, aber bei hoher Temperatur mit der Zeit eine beachtliche Verschlechterung aufwies.

Claims

1. Zahnrad mit einem Zahnbereich, gebildet durch einen Form körper aus Phenolharz, das mit einem Bewehrungsmaterial imprägniert und unter Druck erhitzt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß des Bewehrungsmaterial aus einem Gewebe besteht, das aus verzwirnten, metaaroma tischen Polyamidfasern hergestellt ist und daß das Phenol harz mit Epoxyharz imprägniert ist.

2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die metaaromatische Polyamidfaser eine Längskräuselung aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades mit einem Zahnbereich aus Phenolharz, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Imprägnieren des aus gezwirnter metaaromatischer Polyamidfaser hergestellten Gewebes mit Phenolharz, das mit Epoxyharz vermischt wurde,
b) Zerschneiden des Gewebes in Teilstücke einer vorgegebenen Größe, nachdem das mit Epoxyharz ver mischte Phenolharz getrocknet ist,
c) Zusammenrollen der Gewebeteilstücke unter Erwärmung zu Stangen und Verformen der Stangen zu Ringen.
d) Einbringen mindestens eines Ringes zusammen mit dem Gießmaterial für ein Blatt, eine Lochplatte und eine Radbuchse in eine Form und thermisches Verformen unter Druckanwendung zur Herstellung eines Formkörpers.
e) Ausbildung der Zähne durch mechanische Bearbeitung des am Formkörper befindlichen Ringes aus Phenolharz.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gewebeteilstück in Form eines Rhomboids aus dem Gewebe herausgeschnitten wird, dessen Längsseite in einem Winkel zum Kettfaden des Gewebes, nicht aber senkrecht zu diesem verläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die rhomboidförmigen Gewebeteilstücke um eine Achse der Längsseite des Rhomboids zusammengerollt werden.