JP2959907B2 - 繊維強化樹脂歯車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化樹脂歯車に関す
る。この歯車は例えば自動車のカムシャフトタイミング
ギヤ等に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化樹脂歯車は、噛み合い音が低
い、軽量で回転慣性力が小さい等の利点をもつため、近
年、種々の分野で多用されつつある。ここで、特開昭６
０ー２０６６２８号公報に開示されている様に、補強用
短繊維と熱硬化性樹脂とを混練した材料を型のキャビテ
ィに装填し、加熱加圧成形した繊維強化樹脂歯車が知ら
れている。また特開昭６０ー２０６６２９号公報に開示
されている様に、補強用短繊維と熱硬化性樹脂とからな
るジエニール状のプリプレグを型のキャビティに円周方
向に装填し、加熱加圧成形した繊維強化樹脂歯車が知ら
れている。

【０００３】また、特開平２ー２４１７２９号公報に開
示されている様に、メタ系芳香族ポリアミド繊維の紡織
布にフェノール樹脂を含浸させたプリプレグを渦巻状に
巻いて棒状とするとともに、その棒状の両端を合わせて
ドーナツ状としたドーナツ状予備成形材を成形固化して
リング状素材を形成し、リング状素材の外周部を歯切り
加工した繊維強化樹脂歯車が知られている。しかし特開
平２ー２４１７２９号公報にかかる繊維強化樹脂歯車で
は、強化繊維がメタ系芳香族ポリアミド繊維のため、歯
部の強度、歯部の耐摩耗性が小さいという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記した繊維
強化樹脂歯車で用いる強化繊維としては、カーボン繊
維、ガラス繊維、アラミド繊維等が一般的であるが、カ
ーボン繊維のみで補強した歯車では、強度、耐摩耗性は
良いが、カーボン繊維は摩擦係数が小さいためカッター
の刃先が滑る等の理由で難削材であり加工性が極めて悪
く、量産向きでなく、更に、カーボン繊維は高弾性率の
ため、繊維強化樹脂歯車の本来の目的である噛み合い音
の低減に対する効果が小さい。更に。また、ガラス繊維
のみで強化した繊維強化樹脂歯車では、相手歯車に対す
る攻撃性が極めて大きいため、特に高負荷用途を狙った
場合、相手歯車の耐摩耗性の面から致命的である。一
方、メタ系ポリアミド繊維で強化した繊維強化樹脂歯車
では、加工性も良く、音の低減に対して有効であり、か
つ自身の耐摩耗性、相手攻撃性を含めた摩耗特性も良好
である。

【０００５】ところで、近年、繊維強化樹脂歯車では、
歯切り加工の良好性、歯部の耐摩耗性、歯部の強度、耐
負荷性の両立が望まれている。本発明は上記した実情に
鑑みなされたものであり、その目的は、歯切り加工の際
の加工性、歯部の強度、耐摩耗性を兼ね備えた繊維強化
樹脂歯車を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる繊維強化
樹脂歯車は、プリプレグを巻いて棒状とするとともに、
その棒状の両端を合わせてドーナツ状としたドーナツ状
予備成形材を成形固化したリング状素材を歯切りして、
歯部の噛み合い面にプリプレグを構成する基材の繊維が
木の年輪状に配向した繊維強化樹脂歯車であって、該基
材は、加工性の良い軟質繊維と強度の高い硬質繊維とが
混織して構成されており、軟質繊維はメタ系アラミド繊
維であり、硬質繊維はカーボン繊維であり、繊維総量に
おいて占めるカーボン繊維の割合は１０〜４０体積％に
設定されていることを特徴とするものである。

【０００７】本発明にかかる繊維強化樹脂歯車では、歯
部の噛み合い面に繊維が木の年輪状に配向している。こ
こで、木の年輪状とは、繊維が多重に配向していること
をいい、輪状に配向している形態、半輪状、部分輪状に
配向している形態を含む。基材は、加工性の良い軟質繊
維と強度の高い硬質繊維とが混織して構成されている。
混織の程度は歯車の要求特性に応じて適宜選択できる
が、体積％で、硬質繊維は１０〜４０％とする。

【０００８】本発明の繊維強化樹脂歯車で用いる軟質繊
維は、弾性率が硬質繊維よりも低い繊維を意味する。軟
質繊維としては、その切削加工性及び、噛み合い音の低
減性の面から、メタ系アラミド繊維とする。硬質繊維は
軟質繊維よりも弾性率が高い繊維を意味する。硬質繊維
としては、カーボン繊維を採用する。カーボン繊維は高
弾性率で、高強度かつ耐摩耗性に優れる。

【０００９】本発明の繊維強化樹脂歯車においては、繊
維の総量としては特に制約を受けることなく、歯車の要
求特性に応じて任意に設定すれば良いが、歯部の強度及
び成形性の面を考慮すると、繊維の総体積率は５０％前
後、特に４０〜６０％程度が好ましい。本発明の繊維強
化樹脂歯車に使用するマトリックス樹脂としては、フェ
ノ−ル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の各種熱
硬化樹脂、あるいは、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ等の各
種熱可塑性樹脂であって良い。即ち、軟質繊維、硬質繊
維と何らかの方法で複合化可能な樹脂であれば良い。

【００１０】

【作用】歯部は、加工性の良い軟質繊維であるメタ系ア
ラミド繊維の特性と、強度の高い硬質繊維であるカーボ
ン繊維の特性とを合わせもつ。

【００１１】

【実施例】

（実施例１） （１）プリプレグの製造 溶剤によりワニス状に溶融させたフェノ−ル樹脂を用い
ると共に、基材としてアラミド繊維とカーボン繊維とを
一体的に混織した平織の混織布を用いる。そして、その
フェノ−ル樹脂を混織布に含浸させ、その後に、この溶
剤を乾燥除去した。これによりアラミド繊維とカーボン
繊維とフェノ−ル樹脂とから成るプリプレグシートを作
成した。そしてこのプリプレグシートを、図２に示す様
に平行四辺形状に切断し、プリプレグ１とした。プリプ
レグ１は、辺１ａ〜１ｄをもち、辺１ｃの直角方向に対
して辺１ａが角度θ（５°）傾斜している。ここで、プ
リプレグ１は、長さＬ１が２３５ｍｍ、幅Ｌ２が２２８
ｍｍ、厚み０．２ｍｍである。このプリプレグ１では図
２に示す様に繊維１ｘ、１ｙの繊維配向は辺１ｃに対し
て０°と９０°である。

【００１２】上記したプリプレグ１において、繊維総量
中、体積％でアラミド繊維は８０％、カーボン繊維は２
０％であり、目付け量は１４０ｇ／ｍ² である。上記し
たプリプレグ１を構成するアラミド繊維の特性について
説明する。即ち、繊維材質はメタ系アラミド（帝人
（株）「コーネックス」）であり、フィラメント特性と
して強度８０ｋｇ／ｍｍ² 、伸びは２７％、弾性率は１
２５０ｋｇ／ｍｍ² 、ヤーン特性として番手は２０ｔｅ
ｘである。

【００１３】また、上記したプリプレグ１を構成するカ
ーボン繊維の特性について説明する。即ち、繊維材質は
グラファイト（東邦レーヨン（株）「ベスファイト」）
であり、フィラメント特性として強度は３８０ｋｇ／ｍ
ｍ² 、伸びは１．６％、弾性率は２３５００ｋｇ／ｍｍ
² 、ヤーン特性として番手は６７ｔｅｘである。ここ
で、メタ系アラミド繊維は、前記した様に低弾性率であ
り、機械加工性に優れ、歯車の噛み合い面等の発生音を
低く押える特徴を持つ。また、カーボン繊維は、前記し
た様に高弾性率であり、強度に優れ、かつ摩擦係数が小
さく耐摩耗性に優れる特徴をもつ。

【００１４】（２）リング状素材の製造 次に、図１（Ａ）に示す様に、平行四辺形状に切断した
プリプレグ１を用い、そのプリプレグ１を一辺１ｃから
渦巻き状に巻き取り、棒状とする。次に、図１（Ｃ）に
示す様に、棒状としたプリプレグ１の一端部と他端部と
が合わさる様に合せ部３ａを形成し、プリプレグ１を湾
曲させてドーナツ状予備成形材３を得た。ここで、ドー
ナツ状予備成形材３の合せ部３ａ（渦巻き棒の合せ）
は、同部の強度低下を避けるべくオーバーラップさせた
構造とされている。オーバーラップの長さは、図１のプ
リプレグ１の切断時にその形状を工夫することにより任
意に設定できる。

【００１５】このようにして得たドーナツ状予備成形材
３を、図３に示す様に、合せ部３ａが１８０°対向する
ように２本重ね合せた状態で、図４に示す金型４にセッ
トする。このとき金型４内には、中央孔５ｅをもつリン
グ状の鋼製インサ−ト５を配置している。この金型４
は、キャビティの底部に位置決め用突部４０ａをもつ下
型４０と、下型４０のキャビティに挿入されるリング状
加圧面４１ａをもつ円筒状の加圧パンチ４１と、加圧パ
ンチ４１の中央孔４１ｂに挿通された中子４２とで構成
されている。そして、中子４２でインサート５を保持す
るとともに、キャビティ内に上下に２個重ねて配置した
ドーナツ状予備成形材３を、加圧パンチ４１で矢印Ｅ方
向に押圧して加熱圧縮成形を行い、これによりプリプレ
グ１中の樹脂成分を固化させ、図５に示すリング状素材
６を形成した。この際の成形条件は、温度１８０℃、圧
力２５０ｋｇｆ／ｃｍ² 、加圧時間１５分である。

【００１６】図５に示すリング状素材６では、鋼製イン
サ−ト５の凹部５ａ及び凸部５ｂと繊維強化樹脂部分の
内周部とは強固に結合している。図６にリング状素材６
の断面を示す。リング状素材６の繊維強化部分６ａは、
均一に分散されたアラミド繊維とカーボン繊維との双方
で強化されている。ここで、リング状素材６は、内径Ｌ
７が４０．０ｍｍ、外径Ｌ９が７９．０、厚さｔが１０
ｍｍ、インサート５の外径Ｌ８が５５ｍｍである。また
リング状素材６の繊維強化部分６ａにおいて、繊維総量
は体積率で５０％であり、繊維総量中、体積％で８０％
がアラミド繊維、２０％がカーボン繊維である。

【００１７】（３）歯切り加工 図５に示すリング状素材６を用い、そのリング状素材６
の外周部に、カッターにより切削加工を施すことにより
歯切り加工を行い、図７、図８に示す様に、外周部に歯
部７をもつ繊維強化樹脂歯車８を得た。このとき歯切り
加工の際の切除により、繊維が一部切断される。この繊
維強化樹脂歯車８の歯車諸元は以下の様である。即ち、
種類はインボリュートハスバ歯車であり、歯先直径は７
９．０ｍｍ、歯元直径は６６．９ｍｍ、ピッチ円直径は
７３．９ｍｍ、全歯たけは６．０５ｍｍ、歯数は３２、
直角モジュールは２．０、歯直角圧力角は１８．０°、
ねじれ角は３０°である。

【００１８】本実施例にかかる繊維の配向形態を図７、
図８に示す。図７は主として歯部７の噛み合い面７０に
おける木の年輪状の繊維配向を示す。また図８は木の年
輪状に配向した繊維を省略し、噛み合い面７０における
他の繊維配向を示す。図７に示す様に、本実施例にかか
る繊維強化樹脂歯車８では、歯部７の噛み合い面７０で
は、繊維１００が木の年輪状に配向している。また歯部
７の最外周面としての歯先面７５では、ほぼ周方向にの
びる繊維１０１と、歯車の軸芯Ｋにそってのびる繊維１
０２とが交差して配向している。また、歯部７の軸端面
７６では、ほぼ周方向にのびる繊維１０３と、歯車の軸
芯Ｋに対してほぼ放射方向にのびる繊維１０４とが交差
して配向している。また図８に示す様に、歯部７の噛み
合い面７０では、周方向にのびる繊維１０３のうち歯切
りの際に切断された切断端面１０３ａが噛み合い面７０
の表面で表出している。

【００１９】なお、複合強化部７ｂの繊維構成比は、使
用する繊維布の目付量を変えることにより、任意に設定
できる。ところで、歯車の使用に当って、歯部７のうち
応力的に最も厳しい部位が歯元７２である。この点本実
施例では、歯車の軸芯Ｋに対してほぼ放射方向にのびる
繊維１０４が配向しており、この繊維１０４は高弾性率
のカーボン繊維でもある。そのため、歯部７の歯元７２
の強度増加を図ることができる。

【００２０】また歯車の使用に当って、耐摩耗性が必要
な部位は歯部７の噛み合い面７０のうち、ピッチ円７３
付近、または、ピッチ円７３よりもやや径内方の部位、
即ち半径方向におけるピッチ円７３と歯元７２との間の
部位である。この点本実施例では、図７から理解できる
様に、噛み合い面７０の全面に年輪状の繊維１００が配
向しており、この繊維１００は、耐摩耗性及び強度に優
れるカーボン繊維でもあるので、耐摩耗性の向上も図る
ことができる。

【００２１】（他の実施例）実施例１で用いたアラミド
繊維とカーボン繊維とを混織したプリプレグ１を用い、
そのプリプレグ１において、繊維の総体積率は実施例１
の場合と同様に５０％とするものの、アラミド繊維とカ
ーボン繊維との混織比率のみを表１に示す様に変更し
た。そして、実施例１と同様の成形工程、歯切り加工工
程を経て、実施例１の場合と外形が全く同一の繊維強化
樹脂歯車（ＮＯ．ａ〜ＮＯ．ｆ）を作成した。

【００２２】

【表１】 ここで、ＮＯ．ａ〜ＮＯ．ｊにかかる繊維強化樹脂歯車
でも、歯部７の噛み合い面７０では、アラミド繊維とカ
ーボン繊維とが木の年輪状に配向している。

【００２３】（比較例）比較例１として、実施例１と全
く同様の外観をもつ繊維強化樹脂歯車において、繊維の
総体積率を５０％としたままで、繊維をアラミド繊維の
みとした歯車を形成した（ＮＯ．ｇ）。また、比較例２
として、繊維をカーボン繊維のみとした歯車を作成した
（ＮＯ．ｈ）。

【００２４】

【表２】 （試験）実施例１の繊維強化樹脂歯車、他の実施例の繊
維強化樹脂歯車、及び比較例１、２の繊維強化樹脂歯車
を用い、以下述べる（１）歯部の歯先の曲げ強さ、
（２）歯部の噛み合い面の耐摩耗性、（３）歯切り加工
性の試験を行った。

【００２５】（１）歯部７の歯先の曲げ強さ試験 この試験では、歯車を固定し、歯部７のピッチ円付近に
曲げ荷重を加えて破断荷重の測定を行った。その結果を
図９に示す。図９の縦軸が曲げ荷重、横軸が繊維中のカ
ーボン繊維の含有体積率を示す。即ち図９の左端がアラ
ミド繊維のみの場合、右端がカーボン繊維のみの場合を
示している。

【００２６】図９に示す試験結果より、もっとも曲げ荷
重が小さいのが、アラミド繊維のみで強化したＮＯ．ｇ
である。そして、ＮＯ．ａ、ＮＯ．ｂ、ＮＯ．ｃ、Ｎ
Ｏ．ｄ、ＮＯ．ｅ、ＮＯ．ｆ、ＮＯ．ｊの順に、つまり
カーボン繊維の含有率の増加に伴って曲げ荷重が増加す
る。なかでもカーボン繊維が１００％のＮＯ．ｈでは、
曲げ荷重が最も大きい。

【００２７】（２）耐摩耗性試験 この試験では、表面を窒化処理した鋼（ＳＣｒ２０）製
のドライブギヤを用い、３ｋｇ−ｍの駆動トルクを加え
て、２０００ｒｐｍの回転数で前記の各種歯車を駆動さ
せ、５０時間経過後の歯部７の噛み合い面７０の摩耗量
を測定した。その試験結果を図１０に示す。図１０の縦
軸が噛み合い面の摩耗量、横軸が繊維中のカーボン繊維
の含有体積率を示す。

【００２８】図１０に示す試験結果より、アラミド繊維
のみ複合化したＮＯ．ｇでは摩耗量が８０μｍを超えて
おり、最も摩耗量が大きい。そして、ＮＯ．ａ、ＮＯ．
ｂ、ＮＯ．ｃ、ＮＯ．ｄ、ＮＯ．ｅ、ＮＯ．ｆ、ＮＯ．
ｊの順に、つまり、カーボン繊維含有率の増加に伴って
摩耗量が減少する。なかでもカーボン繊維のみで構成し
たＮＯ．ｈでは摩耗量は最も少ない。

【００２９】（３）歯切りの加工性の試験 刃先がダイヤモンドチップで構成された歯具をもつ歯切
り加工機を用い、１本の歯具で加工できる個数により加
工性を判定した。判定は、歯車の当初の加工精度をＪＩ
Ｓ４級に設定し、この精度範囲より外れるときを加工限
度とした。試験結果を図１１に示す。ここで、図１１の
縦軸が加工可能数を示し、横軸が繊維中のカーボン繊維
の含有体積率を示す。図１１に示す様に、もっとも歯切
り加工性が良いのが、アラミド繊維のみで強化したＮ
Ｏ．ｇである。そして、ＮＯ．ａ、ＮＯ．ｂ、ＮＯ．
ｃ、ＮＯ．ｄ、ＮＯ．ｅ、ＮＯ．ｆ、ＮＯ．ｊの順に、
つまりカーボン繊維の含有量の増加に伴って加工可能数
は減少する。なかでも、カーボン繊維のみで強化したＮ
Ｏ．ｈでは、加工可能数は最も少なく、加工性が悪いこ
とがわかる。

【００３０】（総合評価） さて、歯切り加工性、更には歯車の噛み合い音（ガタ打
ち音）を考慮すると、高弾性率のカーボン繊維の量は少
ない方が良い。また歯部７の曲げ強さと歯部７の耐摩耗
性とを考慮すると、カーボン繊維の量が多いほど良い。
そのため繊維総量を５０体積％とした場合、歯車の噛み
合い音の低減、耐摩耗性、歯切り加工性を共に有するに
は、カーボン繊維は繊維総量中、１０〜４０％とするの
が良いことがわかる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の繊維強化樹脂歯車によれば、歯
部は、加工性の良い軟質繊維の特性と、強度の高い硬質
繊維の特性とを合わせもつ。そのため、歯切り加工の際
の加工性を高めつつ、歯部の強度、耐摩耗性を確保でき
る。特に歯車の軸芯に対して、ほぼ放射方向に硬質繊維
が配向している場合には、歯部の歯元の強度増加に有利
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はアラミド繊維とカーボン
繊維とを混織した基材のプリプレグでドーナツ状の予備
成形材を形成する工程を示す図である。

【図２】アラミド繊維とカーボン繊維とを混織した基材
のプリプレグの展開図である。

【図３】ドーナツ状の予備成形材を２個重ねた状態の斜
視図である。

【図４】金型内で２個重ねたドーナツ状の予備成形材を
圧縮成形する際の断面図である。

【図５】リング状素材の斜視図である。

【図６】リング状素材の断面を模式的に示す図である。

【図７】木の年輪状の繊維の配向とともに示す繊維強化
樹脂歯車の歯部の部分斜視図である。

【図８】繊維の配向の一部を示す繊維強化樹脂歯車の歯
部の部分斜視図である。

【図９】曲げ荷重とカーボン繊維含有率との関係を示す
グラフである。

【図１０】摩耗量とカーボン繊維含有率との関係を示す
グラフである。

【図１１】加工可能数とカーボン繊維含有率との関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

図中、１はプリプレグ、３はドーナツ状予備成形材、４
は金型、６はリング状素材、７は歯部、７０は噛み合い
面を示す。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−170963（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−241729（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−8956（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−29683（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16H 55/06 B29C 67/14 B29L 15:00 B29K 61:04 B29K 105:08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プリプレグを巻いて棒状とするとともに、
   その棒状の両端を合わせてドーナツ状としたドーナツ状
   予備成形材を成形固化したリング状素材を歯切りして、
   歯部の噛み合い面にプリプレグを構成する基材の繊維が
   木の年輪状に配向した繊維強化樹脂歯車であって、 該基材は、加工性の良い軟質繊維と強度の高い硬質繊維
   とが混織して構成されており、 該軟質繊維はメタ系アラミド繊維であり、該硬質繊維は
   カーボン繊維であり、繊維総量において占める該カーボ
   ン繊維の割合は１０〜４０体積％に設定されて いること
   を特徴とする繊維強化樹脂歯車。