JP2010261513A - 樹脂製複合歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音抑制効果を保ちながら、材料の強度、剛性を向上させた樹脂製複合歯車を提供する。
【解決手段】両側面と、この両側面間の中間部外周に形成された歯部１１とを有した歯車部１０と、前記両側面に各々密接固定され歯車部１０を挟持する板体７とを備え、前記歯部１１が、樹脂成形品である。
【選択図】 図５

Description

本発明は、樹脂製複合歯車に関する。

年々厳しくなる排ガス規制に対応するため、自動車の燃費向上を目的として、自動車用部品に対する軽量化、コンパクト化の要求が強くなっており、エンジン内部やエンジン周辺部品の樹脂化が進められている。

樹脂製歯車は、金属製歯車と噛み合う相手歯車として、軽量化、歯の噛み合い時の騒音抑制を目的として使用されているが、金属製歯車と比較して材料の強度、剛性が低いことから、エンジン内部やエンジン周辺部品としての用途が限定されている。

この樹脂製歯車の強度、剛性を補う手段として、例えば、特許文献１に記載されているような技術が提案されている。この技術は、金属材料の両側を樹脂材料にて挟持する複合材を用い、この複合材に歯を設けるものであり、金属材料を用いない場合に比較し、先に述べた強度、剛性を補うことができる。

特開２００７−９２８１１号公報

しかしながら、先に述べた技術では、強度、剛性が向上するものの、噛み合い時の騒音が悪化しており、樹脂製歯車の大きな効果である騒音抑制効果を保ちつつ、強度、剛性を向上させることができていない。
本発明は、騒音抑制効果を保ちながら、材料の強度、剛性を向上させた樹脂製複合歯車を提供することを目的とする。

本発明者らは、樹脂製歯車の損傷、破損メカニズムについて鋭意検討、調査を重ねた結果、樹脂製歯車は、図１に示すように、金属製歯車（図示省略）との噛み合い時に、噛み合い負荷により歯部１１に一時的な変形が発生し、その変形による噛み合い異常や材料への疲労蓄積により歯車強度の低下が起きていると推測し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、以下のものに関する。
（１）両側面と、この両側面間の中間部外周に形成された歯部とを有した歯車部と、前記両側面に各々密接固定され歯車部を挟持する板体とを備え、前記歯部が、樹脂成形品である樹脂製複合歯車。
（２）項（１）において、板体が、金属製である樹脂製複合歯車。
（３）項（１）又は（２）において、板体が、金属と、この金属とは異種金属又は異種材質との複合積層材である樹脂製複合歯車。
（４）項（１）乃至（３）の何れかにおいて、歯部が、はす歯である樹脂製複合歯車。
（５）項（１）乃至（４）の何れかにおいて、板体が、その歯車部と密接固定される面の面積を、歯車部の歯部片側側面面積以上とする樹脂製複合歯車。
（６）項（１）乃至（５）の何れかにおいて、板体が、リブを有する樹脂製複合歯車。

本発明に係る樹脂製複合歯車は、歯車部と、この歯車部を挟持する板体とを備えることで、噛み合い時の歯部変形を抑制することができ、強度、剛性を向上させることができると共に、先に述べた従来の技術のように、金属歯と金属歯とが噛み合う部分がなく、金属歯と樹脂歯とが噛み合うことで、騒音の抑制を行うことができる。
板体が金属製である場合は、剛性が高いため歯部変形の抑制効果も高い。また、板体が異種金属又は異種材質との複合積層材を用いた場合には、使用する材質により、防音性、防振性向上の効果もある。
歯部がはす歯である場合は、平歯の場合と比較し、回転軸と平行方向への荷重、変形があるため、歯部変形の抑制効果による樹脂製複合歯車の強度、剛性向上の効果が大きい。
板体が、その歯車部と密接固定される面の面積を、歯車部の歯部片側側面面積以上とする場合は、歯部の両側面の全てを板体に密接固定できるので、歯部の先端から末端に到るまで、その全ての変形を阻止することができる。
板体がリブを有する場合は、板体の変形強度を上げることができ、より一層の歯部変形の抑制効果を得ることができる。

樹脂製歯車の金属製歯車との噛み合い時の変形を示す。 補強繊維基材の製造方法概略を示す。 歯車部の製造方法概略を示す。 歯車部を両側から板体で挟持した樹脂製複合歯車の概略を示す。 歯車部を両側から板体で挟持した樹脂製複合歯車の概略を示す。 歯車部と板体の固定方法を示す。

＜歯車部＞
本発明にて用いる歯車部は、両側面と、この両側面間の中間部とを有しており、略高さの低い円柱形状をしている。
歯車部は、少なくとも、中間部外周に設けられる歯部が樹脂成形品であれば、他の部分は特に限定されるものではなく、歯部と同一材料を用いた一体成形品としても、異種材料を用いて歯部を形成する樹脂成形品と、一体成形、接着、嵌合、ネジ止め、固着又は溶着することもできる。

歯部を形成する樹脂としては、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂等の樹脂単独、又は、前記樹脂にアラミド繊維、カーボン繊維等を補強基材として充填した材料を用いることができる。
歯部以外の部分に、前述した樹脂とは異なる、異種材料を使用する場合には、例えば外周部に周り止めを有した焼結金属製ブッシュを用いることができ、前記周り止めにより、樹脂成形品と焼結金属製ブッシュとの接合強度を高めることができる。
また、焼結金属以外には、切削金属、鍛造金属等を用いることもできる。
尚、歯車部は、回転軸に固定されて使用されることから、回転軸に接する部分を、強度の高い金属材料とすることが好ましい。

歯車部の両側面は、その形状を限定されるものではないが、後述する板体と密接固定させることから、平面状であるか、板体の形状に対応する凹凸形状（板体が凸であれば、両側面の対応する部分が凹である形状）とすることが好ましい。

歯車部の歯部は、先に述べたように、中間部外周に設けられるが、平歯でもはす歯でも良く、はす歯の場合には、平歯と比較し、回転軸と平行方向への荷重、変形の発生があるため、歯部変形の抑制効果が大きい。
また、歯部の形成は、高い精度が要求されることから、型成形ではなく、一旦型成形したものを切削することで、形成することが好ましい。

＜板体＞
本発明にて用いる板体は、歯車部の両側面に配置されるもので、歯部の変形を抑制できるものであれば、特に限定されるものではない。
板体の材質としては、炭素鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属、セラミック等を用いることができ、中でも剛性が高く、歯部の変形を抑制する効果が大きいことから、金属製のものを好適に用いることができ、特に炭素鋼を用いることが好ましい。
また、板体は、先に述べたような材質を、１種類のみ使用するのではなく、複数の異種材質のものを、積層させる等して組み合わせた、複合材料を用いることもできる。複合させる場合には、歯車部と密接固定する部分に、歯部の変形を抑制する効果が大きい金属を用い、この金属の外側に、防音性、防振性の良好な、ゴム、鉛等を積層させることが好ましい。

板体の歯車部と密接固定する部分の形状は、先に述べた歯車部の両側面の形状と同じように、平面状であるか、歯車部の両側面の形状に対応する凹凸形状（板体が凸であれば、両側面の対応する部分が凹である形状）とすることが好ましい。

板体の、歯車部と密接固定する部分の平面視形状は、特に限定されるものではないが、少なくとも歯部の側面部の全てに接することで、歯部の変形を防止するようにする。即ち、板体の歯車部と密接固定する部分の面積は、少なくとも、歯車部の歯部片側側面面積以上となり、その平面視形状は、前記面積の条件を満たす限り、歯車部の両側面形状と相似形のもの、円形のもの、楕円形のもの、多角形のもの等を、用いることができる。ここで、歯車部の歯部片側側面面積とは、歯先の最高位置となる円面積から、歯底の最低位置となる円面積を減じたものをいう。

板体は、強度を増すために、リブを設けることもできる。リブは、歯車同士の噛み合いを邪魔しないことから、板体の歯車部と密接固定する側とは逆の面に設けることが好ましく、板体として複合材を用いる場合には、異種材質を積層させる積層面部分に設けることもできる。

歯車部と板体との密接固定方法は、ネジ、ボルトによる締結、接着、溶着、圧入等がある。
また、接着剤を用いて接着を行う場合には、アンカー効果を持たせる為に、接着剤塗布面を粗化することが好ましく、更に、接着剤の厚みは、可能な限り薄くすることが好ましい。これは、接着剤層が、板体に比較して剛性が低く、変形抑止効果を薄れさせることの防止策である。

本発明の実施例について、以下図面を参照しながら説明する。
＜実施例１＞
液状樹脂（熱硬化性樹脂）として、次のものを準備した。２，２’−（１，３フェニレン）ビス−２−オキサゾリン（Ａ成分）と、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（Ｂ成分）を、モル比：２／１（質量比：６９／３１）の配合割合で、加熱混合溶解して液状物とする。この液状物に、硬化促進剤としてｎ−オクチルブロマイドを配合する。硬化促進剤の配合量は、Ａ、Ｂ成分の総量を１００質量部として、１．０質量部である。

前記液状樹脂を含浸させる補強繊維基材として、図２に示すものを準備した。補強繊維基材は、先ず、メタ型アラミド繊維と、パラ型アラミド繊維との、混紡糸を丸編みして、丸編み筒状体１を構成する。次に、この丸編み筒状体１を、端部から裏返して軸方向に巻き上げて、外径：１２０ｍｍ、内径：９０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの、リング状補強繊維基材２とする。

リング状補強繊維基材２は、図３に示すように、間に金属製ブッシュ３（材質：炭素鋼Ｓ４５Ｃ）を挟み込んで上下に重ねられ、表面温度を２００℃に保持された成形金型４内に配置される。
金属製ブッシュ３は、中央に回転軸を挿入する開口５があり、周囲外側にリング状補強繊維基材２が空転することを阻止する、周り止め６が設けられている。
成形金型４は、リング状補強繊維基材２の厚さ方向に開閉動作するもので、成形金型４を閉じる動作により、リング状補強繊維基材２を圧縮して、面方向に広がったリング状補強繊維基材２を金属製ブッシュ３の周囲に圧接してその形状になじませる。そして、成形金型４内を減圧状態とし、閉じた成形金型４に上記液状樹脂を注入し、リング状補強繊維基材２に浸透させた液状樹脂を、加熱硬化して金属製ブッシュ３をインサートとする繊維強化樹脂成形体を成形する。
尚、繊維強化樹脂成形体は、金属製ブッシュ３と、その外周に設けた樹脂成形部分との段差がなく、面一となるようにしている。

金属製ブッシュをインサートした繊維強化樹脂成形体は、未だ歯を形成していないので、切削加工を行い、はす歯を形成した。
はす歯は、モジュール２．５、圧力角２０°、ねじれ角１５°とした。

はす歯を形成した歯車部は、図４に示すように、両側面に外径：１２０ｍｍ、内径：６０ｍｍ、厚さ：３ｍｍの金属製板体７（材質：炭素鋼Ｓ４５Ｃ）を配置させて、ボルト８及びナット９により（図６参照）、挟持、固定した。ボルト８は、金属製ブッシュ３にあけた穴を貫通している。
はす歯の先端は、図５に示すように、歯車部１０の中心からはす歯の先端までの距離と、金属製板体７の中心から外周縁迄の距離（半径）を、等しくしているので、金属製板体７の外周縁と丁度重なり、はす歯の側面が金属製板体７から突出する部分がない。

＜比較例１＞
はす歯の形成迄は、前述した実施例１と同様にして歯車部を作製したが、はす歯形成後の金属製板体による挟持を行わずに、歯車部のみとした。なお、この構成は、従来の樹脂製歯車と同じ構成である。

＜実施例２＞
前述した実施例１の板体を外径：１２０ｍｍ、内径：６０ｍｍ、厚さ：１．５ｍｍのゴムと外径：１２０ｍｍ、内径：６０ｍｍ、１．５ｍｍの金属板体（炭素鋼：Ｓ４５Ｃ）の複合積層材とした。なお、この複合積層材は、歯車部と密接固定する部分に金属板体を用い、この金属板体の外側にゴムを積層させたものである。

＜比較例２＞
切削加工により、実施例１と同形状の、全てが炭素鋼製（材質：Ｓ４５Ｃ）の歯車部を得た。なお、この構成は、従来の金属製歯車と同じ構成である。

作製した、実施例１（樹脂製歯車部＋金属板体）、実施例２（樹脂製歯車部＋複合積層材板体）、比較例１（樹脂製歯車部のみ）、比較例２（金属製歯車部のみ）の各歯車部に噛み合う、金属製歯車を用いて、各々の歯車部の、噛み合い音評価及び歯部破壊荷重測定試験を行った。

＜噛み合い音評価＞
噛み合い音評価は、歯車の噛み合い部に集音マイクを設置し、表１に示す条件により歯車を駆動させたときの騒音を測定し、音圧を比較した。結果を表２に示す。
尚、表２の値は、比較例２を１００とした時の指数で表したものである。

＜歯部破壊荷重測定試験＞
歯部破壊荷重測定試験は、金属製歯車と噛合わせた状態で荷重を加え、歯部が破壊する荷重を測定した。結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例１に示される歯部を両側から板体で挟持した樹脂製複合歯車は、歯部を板体で挟持していない樹脂製歯車（比較例１）、金属製歯車（比較例２）と比較して音圧レベル指数が小さく、噛み合い時の騒音低減効果がある。また、板体を複合積層材にした実施例２は、更に音圧レベル指数が小さい。
また、歯部破壊荷重についても、歯部を板体で挟持していない樹脂製歯車（比較例１）と比較して向上しており、大幅な耐久性向上を付与できることが理解できる。

１…丸編み筒状体、２…リング状補強繊維基材、３…金属製ブッシュ、４…成形金型、５…開口、６…周り止め、７…金属製板体、８…ボルト、９…ナット、１０…歯車部、１１…歯部

Claims (6)

1. 両側面と、この両側面間の中間部外周に形成された歯部とを有した歯車部と、前記両側面に各々密接固定され歯車部を挟持する板体とを備え、前記歯部が、樹脂成形品である樹脂製複合歯車。
2. 請求項１において、板体が、金属製である樹脂製複合歯車。
3. 請求項１又は２において、板体が、金属と、この金属とは異種金属又は異種材質との複合積層材である樹脂製複合歯車。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、歯部が、はす歯である樹脂製複合歯車。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、板体が、その歯車部と密接固定される面の面積を、歯車部の歯部片側側面面積以上とする樹脂製複合歯車。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、板体が、リブを有する樹脂製複合歯車。

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