JP2011052782A - 樹脂製歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】高速、高負荷の使用条件下でも歯車の耐久性を低下させることなく、歯面にむらなく潤滑性を保持できる構造を備えた歯車を提供する。
【解決手段】金属製ブッシュと、このブッシュの外周に設けられる樹脂製歯部とを備えた樹脂製歯車である。そして、前記樹脂製歯部が、相手歯車と噛み合い接触する歯面を有し、この歯面が、その表面に深さ５〜１００μｍの溝を設けられている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、樹脂製歯車に関する。

近年、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きており、エンジン内部部品、エンジン周辺部品の樹脂化が進められている。この流れは、歯車においても同様であり、金属製歯車に変わり、樹脂製歯車が自動車用として使用されてきている。

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。
この樹脂製歯車の場合、金属製歯車と比較して耐熱性、耐摩耗性、強度が低いことから、噛み合い部の潤滑が重要であり、潤滑性を高めることで噛み合い時の騒音低減、温度上昇抑制・耐摩耗性向上による耐久性向上が可能とされている。

樹脂製歯車の潤滑性向上については、特許文献１に記載されるものがある。特許文献１に記載されるものは、歯面幅方向端部を部分的に切り欠いて、潤滑油を貯蔵するポケット部を構成したものである。
また、特許文献２に記載されるものは、歯面に潤滑油を溜める溝が設けられた歯車において、溝は歯面の噛み合い有効面の歯末側の端部付近に位置され、且つ、歯幅の全幅に設置されていることを特徴とするものである。従って、歯面のピッチ円から離れて歯末側に位置された溝の潤滑油は、連続した噛み合いで押し出され、歯面の相対滑り接触面圧力とで互いの歯面の歯幅の全幅に塗布するように供給される。

実開平０４−５８６５４号公報 特開２００４−９２６９７号公報

しかしながら、先に述べた特許文献１に記載されるものは、歯面の歯幅方向端部を部分的に切り欠いて潤滑油を貯蔵するポケットを構成することから、歯の強度低下、潤滑油の供給むらが発生する可能性がある。
また、特許文献２に記載されるものは、歯面に潤滑油を溜める溝を歯幅の全幅に設置することから、溝を起点とした欠損、クラックの発生を誘発する可能性がある。
更に、設置した溝による摩擦抵抗増加（溝がやすりのような働きをする）による歯車の耐久性低下の可能性がある。
本発明は、このような問題点を考慮してなされたもので、高速、高負荷の使用条件下でも歯車の耐久性を低下させることなく、歯面にむらなく潤滑性を保持できる構造を備えた歯車を提供することである。

本発明は、以下のものに関する。
（１）金属製ブッシュと、このブッシュの外周に設けられる樹脂製歯部とを備え、前記樹脂製歯部が、相手歯車と噛み合い接触する歯面を有し、この歯面が、その表面に深さ５〜１００μｍの溝を有している樹脂製歯車。
（２）項（１）において、溝が、１つの歯面に対し、複数本設けられる樹脂製歯車。
（３）項（１）又は（２）において、溝が、互いに溝方向に沿って隣接し、歯面全体に設けられる樹脂製歯車。
（４）項（１）乃至（３）の何れかにおいて、溝が、互いに平行な第１の溝と、この第１の溝に交差し、同芯円の円弧である複数の第２の溝とを有する樹脂製歯車。

本発明に係る樹脂製歯車は、歯面に深さ５〜１００μｍである溝を設けることで、潤滑油の歯面保持性が良好となり、歯車寿命が向上する。
溝の深さが５〜１００μｍの場合は、溝が浅いことから、歯面の摩擦抵抗の増加が極めて少なく、高速、高負荷の使用条件下でも、溝を起点とする欠陥、クラック発生の可能性が極めて少ない。
更に、溝が１つの歯面に対し、複数本設けられた場合は、溝が１本の場合と比較し、潤滑油の歯面保持性が良好となり、歯車寿命が向上する。
溝を歯面の全面に設けた場合は、部分的に溝を設置する場合に比べて潤滑油の歯面保持性が高く、潤滑油の供給むらが生じないため歯車寿命が向上する。
歯面に、第１の溝と、第２の溝とを設けた場合には、歯面に方向の異なる２種類以上の溝を設けることになり、潤滑油の歯面保持性が更に良好となる。特に、第２の溝が歯車の回転方向と交差する方向に設けられるため、潤滑油の歯面保持性向上の効果が大きい。

金属製ブッシュの概略を示す。 歯面溝形状を示す。 他の歯面溝形状を示す。 他の歯面溝形状を示す。 他の歯面溝形状を示す。 リング状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。 ホブ切加工方法概略を示す。 歯車耐久性を示す。

本発明にて述べる金属製ブッシュは、外周に後述する樹脂製歯部を設けるものであり、その中央部に回転軸を締結する。
金属製ブッシュの形状は、特に限定されるものではないが、回転時に部分的な応力が掛かり難い円筒形状が好ましく、更には円弧となっている外周部に、複数の周り止め部を構成する突出部が、周方向に所定の間隔を空けて形成されることが好ましい。また、金属製ブッシュに軸が一体に成形されていてもよい。
図１を用いて、より具体的に述べると、複数の突出部２Ａの軸線方向に測った厚み寸法Ｌ２は、金属製ブッシュ１の軸線方向に測った厚み寸法Ｌ１よりも小さい。そして周り止め部を構成する突出部２Ａは、頂部の厚さが厚く基部の厚さが薄いアンダーカット形状とすることで、樹脂製歯部の抜けをより一層防止しやすくなる。そして、このアンダーカットの角度、即ち、金属製ブッシュの横断面に対する角度θが、５°以上４０°以下のものを用いることが好ましい。更に、回転方向への負荷に耐える周り止め部の作用を高めるためには、好ましくは、周り止め部となる突出部は、少なくともｈ１及びｈ２の異なる２種類の突出部２Ａ及び２Ｂが交互に配列されたものが好ましい。このようなアンダーカット形状を持ち、角度θが５°以上４０°以下の２種類の突出部を用いると繊維基材内に周り止め部として複数の突出部２Ａが完全に埋まった状態になり、樹脂製歯部と金属製ブッシュの接合強度を高めることができる。金属製ブッシュの材質としては焼結金属を好ましく用いることができるが、切削金属、鍛造金属等を用いることもできる。

本発明にて述べる樹脂製歯部は、前述した金属製ブッシュの外周に設けられるものであり、歯と歯との間である歯底、歯の先端である歯先、歯底と歯先の間で相手歯車と噛み合い接触する歯面とを有している。
歯底は、隣接する歯の外形形状線を延長させた、Ｖ字形状のものであっても、底面を有するものであってもよい。
歯先は、その先端を歯幅方向の線とするものでも、頂面を有するものでもよい。
歯面は、平面であっても、曲面であってもよいが、相手歯車との噛み合わせを考え、平面視にてインボリュート曲線となる曲面を用いることが、好ましい。

樹脂製歯部は、様々な製造方法があるが、例えば、繊維基材に樹脂を含浸させたものを使用することができる。
繊維基材としては、織布、不織布、抄造法により短繊維を集積したもの等を用いることができる。
また、繊維としては、アラミド繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリエステル繊維等を用いることができ、特に、歯車を自動車部品等に使用する場合は、耐熱性が重要となるので、融点又は熱分解温度が、２５０℃以上の繊維を用いることが好ましい。
尚、繊維は、１種類のみを用いても、複数種類のものを混合して用いてもよい。
含浸樹脂としては、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができ、特にポリアミノアミド樹脂を用いることが、強度、耐熱性に優れるため好ましい。
また、樹脂製歯部として、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂等にアラミド繊維、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリエステル繊維等を充填したものを使用してもよい。

樹脂製歯部の形成は、特に限定されるものではないが、型を用いて樹脂成形時に形成する方法、一旦任意の形状で樹脂成形を行い、その後切削加工により形成する方法等があるが、精度が高いことから、切削加工により形成することが好ましい。
また、切削加工による形成は、荒削りにより外観形状を成す一次切削加工の後に、精度を出す二次切削加工を行う方法により行うことが好ましい。

本発明にて述べる溝は、少なくとも、先に述べた歯面に設けられるものであり、その深さを、５〜１００μｍとするものである。深さは、５μｍ未満であると、潤滑に寄与するだけの油を保持することができず、意味をなさない。また、１００μｍを超える深さでは、油を充分に保持できるものの、歯自体の強度を低下させる恐れがある。
溝の深さは、全ての溝において同じである必要はなく、前述した溝深さの範囲内であれば、異なる溝深さのものが混在していてもよい。

溝は、１つの歯面に対して、少なくとも１本以上有するものであり、好ましくは、複数本有し、更に好ましくは、溝方向に沿って互いに隣接する溝を歯面全体に設けることが好ましい。
溝は、その本数が多くなるほど、油の保持量が増え、噛み合い時の摩擦抵抗が軽減し、回転をスムーズにすることにより歯車寿命が向上する。
また、溝は、全ての溝の方向を揃える必要はなく、ランダムに設けても、ランダム且つ交差するように設けてもよい。
更に、溝形成のし易さから、先ず始めに互いに平行な第１の溝を形成し、その後、この第１の溝に交差するように、第２の溝を設けるようにすることもできる。
第２の溝は、シェービングカッタを使用した場合、シェービングカッタの回転により、同心円の円弧状に溝を設けることができる。

溝幅は、特に限定されるものではないが、溝深さに対して、０．４〜２．４倍程度のものを好適に用いることができる。溝幅が、０．４倍未満であると、油保持量が少なく、２．４倍を超えると、歯自体の強度低下、摩擦抵抗の増加による歯車寿命低下が起こる可能性が増える。

溝の長さは、特に限定されるものではないが、潤滑に寄与するだけの油を保持するため、全歯丈の５％以上の長さを有することが好ましい。
また、溝の長さは、全ての溝で同じである必要はなく、様々な長さのものが混在していてもよく、歯面の端部にまで溝がかかっていても、かかっていなくてもよい。

溝の形成方法は、先に述べた切削加工時に、同時に行うことが好ましく、より具体的に述べると、ホブカッタを使用したホブ切加工時に送り速度等の加工条件調整により溝を形成する方法、ホブ切加工後にシェービングカッタを使用したシェービング加工により、ホブ切加工で形成した第１の溝に交差する第２の溝を形成する方法等がある。

溝の具体的な形状としては、例えば、図２〜５に示すものがあり、図２は、互いに平行な溝を、歯面全体に設置したもので溝長さは全歯丈の５％以上で統一されている。図３は、互いに平行な溝を歯面全体に設置したもので溝長さは様々なものが混在している。図４は、同心円の円弧状の溝を歯面全体に設置したもので溝長さは様々なものが混在している。図５は、互いに平行な溝を歯面全体に設置した後、同心円の円弧上の溝を歯面全体に設置したもので、溝が交差する部分がある。

＜実施例１＞
（繊維基材への含浸樹脂）
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）とを、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。これに、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１００質量部に対して、１質量部である。

（繊維基材）
本実施例では、繊維基材として、次のものを準備した。しかし、本発明は、これに限定されるものではない。
繊維基材は、図６に示すように、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３を形成し、この丸編み筒状体３を端部から裏返して軸方向に巻き上げて、外径：８１ｍｍ、内径：５０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍのリング状繊維基材４とした。
図７に示すように、リング状繊維基材４を２個積み重ね、その中央にインサートとして金属製ブッシュ１を配置し、２００℃の成形金型５に収容する。成形金型５は、リング状繊維基材４の厚さ方向に開閉動作するものであり、成形金型５を閉じる動作によりリング状繊維基材４を、厚み方向に圧縮して、面方向に広がったリング状繊維基材４を、金属製ブッシュ１の周囲に圧接してその形状になじませる。
その後、成形金型５内を減圧状態とし、閉じた成形金型５に上記液状樹脂を注入し、リング状繊維基材４に浸透させた液状樹脂を加熱硬化して金属製ブッシュをインサートとするアラミド繊維基材強化樹脂成形体を成形する。

＜実施例１＞
前記アラミド繊維基材強化樹脂成形体を、図８に示すホブ切加工により、表１に示す寸法に歯部形成すると同時に、歯面全面に歯底から歯先の方向で、直線の深さ５〜１００μｍで全歯丈の５％以上の長さで統一された互いに平行な図２に示すような形状の溝を設置した。

＜実施例２＞
実施例１において、ホブ切加工後にシェービング加工を行い、歯面全面に歯底から歯先の方向で、曲線の深さ５〜１００μｍで全歯丈の５％以上の長さで統一された互いに平行な溝と同心円の円弧状の溝を複数設置した。また、互いに平行な溝と同心円の円弧状の溝は、交差する部分が存在している（図５参照）。

＜比較例1＞
射出成形により、表１に示す寸法に歯形形成し、歯面に溝を設置しない樹脂製歯車を作製した。

＜比較例２＞
溝の深さを５μｍ未満（具体的には、深さ４μｍ以下のものをランダムに設けている）とした以外は、実施例１と同様にして樹脂製歯車を作製した。

＜比較例３＞
溝の深さを１００μｍ超（具体的には、深さ１０１〜３００μｍのものをランダムに設けている）とした以外は、実施例1と同様にして樹脂製歯車を作製した。

＜歯車耐久性評価＞
歯車耐久評価は、表２に示した３種類の入力トルクで実施し、各入力トルクにおいて樹脂製歯車が破壊するまでの総回転数を測定し、耐久性を確認した。結果を図９に示す。

図９から明らかなように、歯面全体に溝を設置した樹脂製歯車（実施例１、実施例２）は、歯面に溝を設置しない樹脂製歯車（比較例１）、溝深さが５μｍ未満の樹脂製歯車（比較例２）、溝深さが１００μｍ超の樹脂製歯車（比較例３）と比較して耐久性が高い。

１…金属製ブッシュ、２…突出部、３…丸編み筒状体、４…リング状繊維基材、５…成形金型

Claims (4)

1. 金属製ブッシュと、このブッシュの外周に設けられる樹脂製歯部とを備え、前記樹脂製歯部が、相手歯車と噛み合い接触する歯面を有し、この歯面が、その表面に深さ５〜１００μｍの溝を有している樹脂製歯車。
2. 請求項１において、溝が、１つの歯面に対し、複数本設けられる樹脂製歯車。
3. 請求項１又は２において、溝が、互いに溝方向に沿って隣接し、歯面全体に設けられる樹脂製歯車。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、溝が、互いに平行な第１の溝と、この第１の溝に交差し、同芯円の円弧である複数の第２の溝とを有する樹脂製歯車。

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