DE2825191C2

DE2825191C2 - Zahnrad mit mehreren über ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln

Info

Publication number: DE2825191C2
Application number: DE2825191A
Authority: DE
Inventors: Tuguo Tokio/Tokyo Kobayashi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-06-08
Publication date: 1985-09-05
Also published as: GB2001904B; GB2001904A; US4237175A; JPS543643A; DE2825191A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad iah mehreren über ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln, die jeweils unter einem Winkel von 90° zu Kett- und Schußfäden verwoben sind, wobei die Gewebeschichten, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden, gegeneinander verdreht sind.

Zur Verringerung der Geräusche ν ^rden zunehmend Zahnräder aus Kunststoffen, beispielsweise Polyesterharzen verwendet Wegen ihrer Festig! '.it können diese bisher jedoch nur bei geringen Belastungen eingesetzt werden. Konventionelle Kunststoffe für die Hersteilung von Zahnrädern sind üblich thermoplastisch und weisen eine geringe Wärmebeständigkeit auf. So wurde festgestellt, daß derartige Zahnräder schon bei einer Temperatur von nur etwa 100° C verformt werden. Dies ist von Nachteil nicht nur in den Fällen, in denen das Zahnrad aufgrund von Reibungswärme höheren Temperaturen ausgesetzt ist, sondern auch in den Fällen, in denen das Zahnrad zusammen mit einem Trockner oder einer Heizvorrichtung bei hoher Temperatur verwendet wird. Auch Zahnräder aus glasfaserverstärkten Kunststoffen erfüllen die an sich gestellten Anforderungen nicht genügend, weil sie keine ausreichende Ermüdungsbeständigkeit aufweisen. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Kohlefäden zur Herstellung von Zahnrädern zu verwenden, da diese sowohl eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit als auch eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweisen. Dabei werden die Kohlefaden in Form von glatt gewebten Geweben eingesetzt, in denen die Kett- und Schußfäden aus Kohlefadenbündeln bestehen, die zu mehreren Hunderten und Tausenden mit einem Bindemittel zu Kohlefadenbündeln gebündelt sind. Beim Aufeinanderlaminieren mehrerer derartiger Gewebeschichten werden die Hohlräume zwischen den benachbarten Kett- und Schußfäden nur unvollständig durch das Bindemittel ausgefüllt, so daß bei der Belastung daraus hergestellter Zahnräder eine Schichtentrennung auftreten kann.

Aus der DE-PS 4 42 580 sind Zahnräder bekannt, die aus mit einem Klebemittel getränkten Stoffgeweben bestehen, wobei die einzelnen Stoffbahnen in bestimmter Weise übereinandergeschichtet und dann unter Anwendune von Wärme und Druck zu einem festen Körper zusammengepreßt werden. Dabei erfolgt die Art der Obereinanderschichtung in der Weise, daß die einzelnen Gewebefasern sowohl in der Kette als auch im Schluß sich mit den Fasern des benachbarten Gewebestückes unter verschiedenen Winkeln, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden, kreuzen.

Aus der GB-PS 13 64 076 sind faserverstärkte Kunststoffmaterialien bekannt, die aus übereinander angeordneten Gewebeschichten aufgebaut sind, die in bezug auf ίο die Richtung der Kett- und Schußfäden gegeneinander verdreht sind.

Aus der US-PS 13 41 685 sind Kegelzahnräder bekannt, die aus mehreren übereinander angeordneten Gewebeschichten bestehen, deren äußere Umfangsabschnitte entsprechend der Form des Kegelzahnrades unter einem im wesentlichen rechten Winkel zur Fläche des Kegelzahnrades aufgebogen sind.

Diese bekannten Zahnräder genügen in bezug auf ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften den heutigen Anforderungen nicht Insbesondere weisen sie eine unzureichende Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit (speziell eine unzureichende Ermüdungs- und Abriebsbeständigkeit) auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Zahnrad zu entwickeln, das nicht nur geräuschärmer ist als Metallzahnräder, sondern auch eine höhere Wänr.ebeständigkeit und mechanische Festigkeit (insbesondere Ermüdungs- und Abriebsbeständigkeit) als die bisher bekannten Kunststoff-Zahnräder aufweist
Diese Aufgäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die einzelnen Kohlefäden der jeweiligen Kett- und Schußfäden einen gleichen Abstand voneinander haben und daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 673°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht verdreht sind.

Die erfindungsgemäßen Zahnräder weisen gegenüber den bekannten Metallzahnrädccn und den bekannten Kunststoff-Zahnrädern die folgendem Vorteile auf:

1. Sie sind geräuschärmer als die bekannten Metall-Zahnräder;

2. sie weisen eine höhere Wärmebeständigkeit auf als die konventionellen thermoplastischen Kunststoff-Zahnräder, da sie, wie Versuche gezeigt haben, bei Temperaturen bis zu 400⁰C stabil sind, ohne ihre ausgezeichneten Geräuschdämpfungseffekte zu verlieren;

3 sie besitzen eine höhere Festigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul als Zahnräder aus hochwertigem Stahl, Aluminium oder Titan;
4. sie unterliegen einem geringeren Verschleiß aus Kunststoff-Zahnräder aus beispielsweise einem Polyester, Phenol oder einem Polyamid;
5. sie sind in bezug auf ihre Ermüdungsfestigkeit den aus glasfaserverstärkten Kunststoffen hergestellten Zahnrädern überlegen; und
6. sie dämpfen Vibrationen wesentlich wirksamer.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Zahnrad um ein Kegelzahnrad, bei dem die äußeren Umfangsabschnitte entsprechend der Form des Kegelzahnrades geformt sind (vgl. die weiter unten folgende F i g. 6).

Das erfindungsgemäße Zahnrad läßt sich auf technisch einfache Weise dadurch herstellen, daß Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln, d. h. glatt gewebte Gewebe aus Kohlefäden, die jeweils unter einem Win-

kel von 90° zu Kett- und Schußfäden verwoben sind, durch Bürsten der glatt gewebten Gewebe unter gleichzeitigem Auftrag eines Bindemittels so aufgelockert werden, daß die Kohlefaden in jedem der Kohlefadenbündei einen gleichen Abstand voneinander haben, unter Ausbildung von dünnen und feinen Kohlefadengeweben, daß die auf diese Weise aufgelockerten Kohlefadengewebe so aufeinander auflaminiert werden, daß ihre Kohlefaden den gleichen Abstand von denjenigen einer anderen Gewebeschicht um eine gemeinsame Achse haben, und daß man Wärme und Druck auf die aufeinanderlaminierten Gewebe einwirken läßt, um so das Bindemittel auszuhärten

Zur Herstellung von kreisförmigen Zahnrädern kann eine Vielzahl von kreisförmigen Kohlefadengeweben verwendet werden, wobei in jedem Falle die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 673°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht, verdreht sind.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezu^nahm2 auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein glatt gewebtes Gewebe aus Kohlefaden gemäß Stand der Technik, wie es für die Herstellung eines Zahnrades verwendet wird;

F i g. 2 das gleiche Gewebe wie F i g. 1, dessen Kohlefaden durch Bürsten aufgelockert worden sind;

F i g. 3 die Art der Aufeinanderlaminierung der verwendeten aufgelockerten Gewebe, so daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22,5° und 67,5°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht, verdreht sind;

Fig.4 eine vergrößerte Darstellung der Teile der Kohlefadengewebe, die zur Herstellung eines kreisförmigen Zahnrades wirksam verwendet werden können;

F i g. 5 einen axialen Querschnitt durch das verwendete Material zur Herstellung eines Stirnzahnrades aus aufeinanderlarinierten Kohlefadengeweben; und

F i g. 6 einen axialen Querschnitt durch das Material gemäß F i g. 5, das durch geeignete Formpaare zu einem Kegelzahnrad mit entsprechend geformten äußeren Umfangsabschnitten geformt worden ist.

Die F i g. 1 zeigt in Form einer ebenen Draufsicht ein glatt gewebtes Gewebe 11, das aus Kettfaden 12 und Schußfäden 13 augebaut ist, die jeweils unter Verwendung eines Bindemittels zu einem Kohlefadenbündel (beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Hundert oder mehreren T?usend) gebündelt sind. Wie dargestellt, entstehen dabei verhältnismäßig grobe Maschen A ι zwischen den benachbarten Kettfäden 12 und Schußfäden 13. Wenn daher ein weiteres Bindemittel, bei dem es sich um das gleiche wie das erste Bindemittel handeln kann, auf daj glatt gewebte Gewebe 11 aufgebracht wird, reicht es nicht aus, um die Hohlräume der Maschen A, zwischen benachbarten Kett- und Schußfäden 12 und 13 aufzufüllen, selbst nachdem die Gewebe 11 aufeinanderlaminiert worden sind, so daß beide Bindemittel unzureichend gemischt bleiben.

Um zu verhindern, daß bei Mehrfachschichten des glatt gewebten Gewebes 11 mit einer solchen Struktur diese sich voneinander trennen, wird ein Stempel, eine Bürste oder eine Walze (aus HoIz₁ Bambus, Wolle, Metall, Stoff, Kunststoff, Kautschuk od. dgl.) verwendet, wenn das zweite Bindemittel auf jede Schicht aufgetragen wird. Dieser Auftraf erfolgt durch Bürsten der Oberfläche jeder Schicht in der Längsrichtung und in der Querrichtung oder in einer schrägen Richtung.

Durch dieses Bürsten werden die Fäden 12a und 13a der Kettfaden 12 und der Schußfäden 13 so aufgelockert, daß sie einen gleichen Abstand voneinander haben (vgL F i g. 2), wobei man ein feineres, dünneres Kohlefadengewebe W erhält, das aus den gelockerten Fäden 12a und 13a als Kett- und Schußfäden besteht. Wie bei A₂ angegeben, sind die entstehenden Maschen sehr viel kleiner als die Maschen A\ der F i g. 1, so daß das Gewebe 11' selbst dünner wird.

ίο Als Bindemittel können wärmehärtbare Kunststoffe, beispielsweise ein Epoxyharz, in einem fließfähigen Zustand verwendet werden. Die auf diese Weise erhaltenen Kohlefadengewebe 11', die einheitliche und feine Maschen aufweisen, werden aufeinandergelegt, nachdem ihre Oberflächen mit dem zweiten Bindemittel benetzt worden sind; und dann werden sie Wärme und Druck ausgesetzt unter Bildung eines Verbundmaterials, aus dem das gewünschte Zahnrad hergestellt wird. Um die sowolil mit der Gleichmäßigkeit der Festigkeit als auch mit der Bündelung des Matt -,als zusammenhängenden Probleme zu lösen, erfolgt die I aminierung wie in der F i g. 3 dargestellt

Das erste Kohlefadengewebe 11' mit der Ordinate X₁ und der Abszisse Vj, in dem sich die Kettfäden 12a und die Schuß^räden 13a unter einem rechten Winkel kreuzen, wird bedeckt von dem zweiten Gewebe 11' mit der Ordinate X\ und der Abszisse y\, die um 45° gegenüber den Koordinaten X\ und Y\ verdreht sind. Die Koordinaten X₂ und Y₂ des dritten Gewebes 11' sind um 22,5° gegenüber den Koordinaten X\ und Y\ verdreht und die Koordinaten x₂ und y₂ des vierten Gewebes 11' sind um 67,5° gegenüber den Koordinaten ΛΊ und Y\ verdreht. Die Anzahl der aufeinanderlaminierten Kohlefadengewebe hängt ab von dem gewünschten Durchmesser und der gewünschten Dicke, der gewünschten Größe und Anzahl der Zähne des daraus herzustellenden Zahnrades und der geforderten Festigkeit des Zahnrades.

Um die gewünschten Effekte der Laminatstruktu« der Kohlefadengewebe 11', welche die Verstärkung gemäß dem obigen Verfahren aufweisen, auch dann zu erzielen, wenn die verwendeten Gewebe 11' quadratisch geformt sind, wie in F i g. 4 dargestellt, muß das daraus herzustellende Zahnrad eine Größe haben, die geringer lytals der nutzbare kreisförmige Abschnitt 14, der das Quadrat innen berührt, das durch die Kohlefadengewebe 1Γ, die konzentrisch übereinanderliegen, definiert ist. Der Grund ist der, daß die Teile der Gewebe W außerhalb des Umfanges des kreisförmigen Abschnitts 11 in ihrer Bündelung nicht ausreichend verstärkt sind.

Die auf diese Weise aufeinanderlaminierten Kohlefadengewebe 11' werden anschließend Wärme und Druck ausgesetzt, bevor sie zu einem Zahnrad verarbeitet werden. Bv-i Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit und Materialverluste ist es zweckmäßig, die jeweiligen Kohlefadengewebe 11' vorher in eine kreisförmige Form einer festgelegten Größe zu bringen und sie dann so aufeinanderzulaminieren und in Formpaaren einer Größe entsprechend dir kreisförmigen Form Wärme und Druck auszusetzen, daß ein Zahnrad mit einer einheitlichen Struktur erhalten wird, Diese Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 näher erläutert.

Die F i g. 5 zeigt einen axialen Querschnitt durch ein Material für ein einfaches Stirnzahnrad 15. In diesem Falle erfolgt die Formgebung unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einem Paar von einfachen kreisförmigen Formen. Wenn jedoch ein Kegelzahnrad 16 hergestellt werden soll, wie es in

Fig.6 gezeigt ist, wird ein Laminatmaterial mit einer flachen Struktur, wie durch die gestrichelten Linien in der F i g. 6 dargestellt, vorher hergestellt und unter Verwendung eines entsprechenden Formpaares 17a und i7b mit der vorgegebenen Form Wärme und Druck ausgesetzt. Dabei wird, wie durch die ausgezogenen Linien in der gleichen Figur gezeigt, ein Material 16' gebildet, bei dem die aufeinanderlaminierten Kohlefadengewebn an ihrem äußeren Umfang entsprechend der Form des gewünschten Kegelzahnrades gekrümmt sind. Der dabei erhaltene Randabschnitt weist dann eine ähnliche Festigkeit auf wie das Stirnzahnrad gemäß Fi g. 5. Bei der Verarbeitung des Materials 15 zu dem gewünschten Stirnzahnrad gemäß Fig. 5 wird da das Material nicht unter Verwendung eines üblichen Gewindefräsers geschnitten werden kann, dieser Gewindefräser durch ein Schleifrad ersetzt. Dieses Schleifrad wird so bearbeitet, daö es die Form des gewünschten Gewindefräsers hai und es wird zum Ausschneiden der Zähne aus dem Material verwendet. Der Grad der Abnutzung des Schleifrades ist bemerkenswert niedrig, und das Material 15 wird selbst kaum beschädigt, selbst wenn die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht wird. Gewünschtenfalls kann auf diese Weise ein Hochpräzisions-Zahnrad hergestellt werden durch Unterteilen des Schneideverfahrens in zwei Schritte unter Verwendung von Rauhschleifrädern und Glattschleifrädern. Wenn eine solche Präzision dagegen nicht erforderlich ist, kann das Schneidverfahren unter Verwendung des Rauhschleifrades durchgeführt werden. Für dieses Rauhschleifen (Schruppen) kann auch ein konventioneller superharter Gewindefräser verwendet werden, wobei ähnliche Effekte erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Zahnrad mit mehreren über ein Bindemittel verbundenen Gewebeschichten aus Kohlefadenbündeln, die jeweils unter einem Winkel von 90° zu Kett- und Schußfäden verwoben sind, wobei die Gewebeschichten, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden, gegeneinander verdreht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kohlefaden der jeweiligen Kett- und Schußfäden einen gleichen Abstand voneinander haben und daß die auf die erste Gewebeschicht folgende zweite, dritte und vierte Gewebeschicht jeweils um 45°, 22^° und 67^°, bezogen auf die Richtung der Kett- und Schußfäden der ersten Gewebeschicht, verdreht sind.

2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad ein Kegelzahnrad ist, bei dem die äußeres Umfangsabschnitte entsprechend der Form des Kegelzahnrades geformt sind (F i g. 6).