JP6624437B2 - 樹脂製歯車の製造法 - Google Patents
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Description
駆動中の歯車に相手歯車との噛み合いにより過剰の衝突エネルギが加わると、前記ゴム弾性層はリング状の樹脂部に閉じ込められた内部で変形(圧縮変形)することにより、前記エネルギを吸収する。従って、この樹脂製歯車は回転軸に装着するだけで衝撃の減衰機能を発揮する。
A工程:外周部に1以上の回り止め部が形成されて回転軸を中心にして回転される金属製ブッシュを用意する工程。
B工程:前記1以上の回り止め部に第一のゴム弾性層を装着する工程。
C工程:補強繊維と熱硬化性樹脂前駆体の粉末を液中に分散させてシート状補強繊維基材を抄造し当該シート状補強繊維基材を歯車状に裁断して前記金属製ブッシュの外周に嵌め合せるための円形の穴を有する歯車状補強繊維基材を用意する工程。
D工程:前記歯車状補強繊維基材を、その歯形を揃えて軸方向に所定枚数積層して歯車用素形体とする工程。
E工程:前記歯車用素形体を成形金型により軸方向に圧縮する加熱加圧成形に供して、前記A工程、B工程を経た金属製ブッシュの外周にリング状の樹脂部と当該樹脂部の外周に歯部を成形し、前記成形において、前記第一のゴム弾性層は、回り止め部とリング状の樹脂部の一方又は双方と固着せずに当接した状態にあり、前記金属製ブッシュの外周面は、リング状の樹脂部の内周面に固着せずに当接した状態にあるようにする工程。
a工程:外周部に1以上の回り止め部が形成されて回転軸を中心にして回転される金属製ブッシュを用意する工程。
b工程:前記1以上の回り止め部に第一のゴム弾性層を装着する工程。
c工程:補強繊維と熱硬化性樹脂前駆体の粉末を液中に分散させてシート状補強繊維基材を抄造し当該シート状補強繊維基材をリング状に裁断して前記金属製ブッシュの外周に嵌め合せるための円形の穴を有するリング状補強繊維基材を用意する工程。
d工程:前記リング状補強繊維基材を、軸方向に所定枚数積層して歯車用素形体とする工程。
e工程:前記歯車用素形体を成形金型により軸方向に圧縮する加熱加圧成形に供して、前記a工程、b工程を経た金属製ブッシュの外周部にリング状の樹脂部を成形し、前記成形において、前記第一のゴム弾性層は、回り止め部とリング状の樹脂部の一方又は双方と固着せずに当接した状態にあり、前記金属製ブッシュの外周面は、リング状の樹脂部の内周面に固着せずに当接した状態にあるようにする工程。
f工程:前記リング状の樹脂部の外周に切削加工により歯部を形成する工程。
上記のように切欠部を設けておくと、E工程又はe工程の加熱加圧成形において、積層されている歯車状補強繊維基材あるいはリング状補強繊維基材がその積層方向に圧縮されたときに、第一のゴム弾性層に過剰の圧力が加わらないようにすることできる。
第二のゴム弾性層は、金属製ブッシュの外周面とリング状の樹脂部の内周面に固着していないので、駆動中の歯車に相手歯車との噛み合いにより過剰の衝突エネルギが加わると、第一のゴム弾性層の圧縮変形に伴い第二のゴム弾性層と金属製ブッシュの外周面の間および第二のゴム弾性層とリング状の樹脂部の内周面の間で歯車の回転方向と反対方向の摩擦力が発生する。加えて、第二のゴム弾性層は、樹脂製歯車に加わる径方向の衝撃により圧縮変形する。
前記環状体は、第一のゴム弾性層と第二のゴム弾性層が連結された円弧状部材の組合せで構成されてもよい(請求項7)。第一のゴム弾性層が回り止め部とリング状の樹脂部の間で圧縮変形したとき、第二のゴム弾性層には周方向の引張の応力が発生するが、前記円弧状部材の組合せにより環状体を分割しておくことにより前記引張の応力が分断され応力の発生が緩和される。
外周面に径方向へ突出する複数個の回り止め部1を有する金属製ブッシュ2と、外周に歯部3が形成されたリング状の樹脂部4とが、回り止め部1がリング状の樹脂部4に埋設された状態で嵌め合され構成されている。各回り止め部1は、等角度間隔で配置されている。尚、複数個の回り止め部1は、各回り止め部が均等に応力を負担するように、等角度間隔にて設けることが好ましいが、必ずしも等角度間隔である必要はない。
複数個の回り止め部1のそれぞれは、第一のゴム弾性層5を介してリング状の樹脂部4に嵌め合されている。第一のゴム弾性層5は、回り止め部1とリングの状樹脂部4に固着せずに当接しており、金属製ブッシュ2の外周面は、リング状の樹脂部4の内周面に固着せずに当接している。
第一のゴム弾性層5は、キャップ形状をしたものが回り止め部1に装着されており、回り止め部1の全体(突出した部分)を覆っている。第一のゴム弾性層5の材質はブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーンゴムなどであり、好ましくは耐久性・耐熱性の面よりフッ素ゴム又はシリコーンゴムを選択する。
回り止め部1とリング状の樹脂部4の間に第一のゴム弾性層5が介在している点は、図1を参照して説明した樹脂製歯車と同様である。図2を参照して説明する樹脂製歯車では、加えて、金属製ブッシュ2の外周面とリング状の樹脂部4の内周面の間に第二のゴム弾性層6が介在している。第二のゴム弾性層6は、金属製ブッシュ2の外周面とリング状の樹脂部4の内周面の双方に固着せずに当接している。第二のゴム弾性層6の材質は、第一のゴム弾性層5の材質と同様である。
第二のゴム弾性層6は、金属製ブッシュ2の外周面とリング状の樹脂部4の内周面の相対している周面全体に当接しているだけあり固着していない。また、この例では、第二のゴム弾性層6の厚み方向端面は、樹脂製歯車の回転面に露出している。
第二のゴム弾性層6は、回り止め部1の外周面とリング状の樹脂部4の内周面に固着していないので、駆動中の歯車に相手歯車との噛み合いにより過剰の衝突エネルギが加わると、第一のゴム弾性層5の圧縮変形に伴い、第二のゴム弾性層6と金属製ブッシュ2の外周面の間および第二のゴム弾性層6とリング状の樹脂部4の内周面の間で周方向にわずかながら摺動し摩擦力が発生する。加えて、第二のゴム弾性層6は、樹脂製歯車に加わる径方向の衝撃により圧縮変形する。前記摩擦力が加わることにより衝撃の減衰作用が高まる。また、第二のゴム弾性層6が、樹脂製歯車に加わる径方向の衝撃により圧縮変形することによりその衝撃も緩和することができる。
さらに、前記環状体は、第一のゴム弾性層5と第二のゴム弾性層6が連結された円弧状部材を組合せで環状体に構成されてもよい。図3は、円弧状部材を組合せて構成した環状体の例を示す。第一のゴム弾性層5の周方向片側に第二のゴム弾性層6が連結されており、第二のゴム弾性層6は、隣り合う回り止め部1に装着されている第一のゴム弾性層5同士を連結した形状となっている。このように中間位置で分割された形状にしておくと、第一のゴム弾性層5が回り止め部1とリング状の樹脂部4の間で圧縮変形したとき、第二のゴム弾性層6には周方向の引張りの応力が発生するが、第一のゴム弾性層5と第二のゴム弾性層6が連続して繋がっていないので前記引張の応力が分断されて緩和される。
上記樹脂製歯車を製造する第一の製造法について以下説明する。
A工程では、外周部に1以上の回り止め部1が形成されて回転軸を中心にして回転される金属製ブッシュ2を用意し、B工程では、前記1以上の回り止め部1に第一のゴム弾性層5を装着し、あるいは、第一のゴム弾性層5と第二のゴム弾性層6を、金属製ブッシュ2の前記1以上の回り止め部1と外周面に装着する。第一のゴム弾性層5あるいは第一のゴム弾性層5と第二のゴム弾性層6は、予め金型により成形し準備しておく。
後述するE工程において、金属製ブッシュ2の外周面とリング状の樹脂部4の内周面が固着しないように、また、第一のゴム弾性層5の表面あるいは第一のゴム弾性層5と第二のゴム弾性層6の表面と金属製ブッシュ2(回り止め部)およびリング状の樹脂部4とが固着しないように、必要に応じて金属製ブッシュ2と第一のゴム弾性層5、第二のゴム弾性層6に離型剤による処理をしておく。
このような切欠部10を有する歯車状補強繊維基材8’を用いると、後述するE工程における加熱加圧成形の時に第1のゴム弾性層5に対し歯車状補強繊維基材8,8’の圧縮に伴う過剰の圧力が加わるのを回避することができる。
また、補強繊維には、引張強度15cN/dtex以上、引張弾性率350cN/dtex以上の高強度高弾性率繊維を、使用する補強繊維全体の少なくとも20体積%以上含むことが好ましい。このようにして得られるシート状補強繊維基材7を用いた歯車は、リング状の樹脂部4を採用しつつ使用中にかかる高負荷に耐え得るものとすることができる。
また、リング状の樹脂部4に強度を付与するためには、補強繊維にアラミド繊維をフィブリル化処理した微細繊維(パルプ)を含み、微細繊維のフリーネスが100ml以上400ml以下であって、微細繊維の含有量が使用する補強繊維全体の30質量%以下になるように配合することが望ましい。望ましい態様としては、パラ系アラミド繊維に機械的剪断処理を施し繊維軸方向に裂開させたフィブリル化処理のアラミド微細繊維を混合することが好ましい。フリーネスが400mlを超えるとフィブリル化が不充分のためリング状の樹脂部4に強度を付与する上で好ましいものでなくなる。またフリーネスが100ml未満になると繊維軸方向に裂開させるだけでなく、径方向に剪断されて粉末状態になってしまうために繊維の絡みが悪くなって、リング状の樹脂部4に強度を付与する上で好ましいものでなくなる。好ましくは、適度な強度を付与することができるように、使用する補強繊維全体の5〜10質量%のフィブリル化した微細繊維を配合するのが好ましい。
リング状の樹脂部4を構成する樹脂としては、既に例示したものを含み熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など種々の材料を選択することができる。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂から選ばれた1以上の樹脂を組み合わせたものが使用できる。これらの中でも樹脂硬化物の強度、耐熱性等の点からフェノール樹脂が好ましい。
別の手段は、図5(a)に示すように、A工程、B工程を経た金属製ブッシュ2の回り止め部1を挟んでその両側から、歯車状補強繊維基材8を、その歯形を揃えて軸方向に所定枚数積層する。そして、若干の熱と圧力で仮成形し、図5(b)に示すように、中央に金属製ブッシュ2を配置した状態で歯車状補強繊維基材8を一体にした歯車用素形体11とする方法である。図5(b)から理解できるように、歯車状補強繊維基材8が回り止め1と第一のゴム弾性層5を避けた状態で仮成形されているので、この歯車用素形体10を後述するE工程に供すると、第一のゴム弾性層5に歯車用素形体11の圧縮による過剰の圧力が加わることを低減でき、E工程における加熱加圧成形による第一のゴム弾性層5の異常変形に注意を払わなくてもよくなる。
さらに別の手段は、図6(a)に示すように、A工程、B工程を経た金属製ブッシュ2の回り止め部1を挟んでその両側から、歯車状補強繊維基材8を、その歯形を揃えて軸方向に所定枚数積層するに際し、積層方向中央には、歯車状補強繊維基材8’を、その歯形を揃えるとともに切欠部9を回り止め部1の位置に合せて積層する。そして、若干の熱と圧力で仮成形して、図6(b)に示すように、中央に金属製ブッシュ2を配置した状態で歯車状補強繊維基材8,8’を一体にした歯車用素形体11’とする方法である。図6(b)から理解できるように、歯車状補強繊維基材8’が回り止め1と第一のゴム弾性層5を確実に避けた状態で、また、回り止め1の周辺に極力空隙を残さないように歯車状補強繊維基材8’が仮成形されているので、この歯車用素形体11’をE工程に供すると、第一のゴム弾性層5に歯車用素形体11’の圧縮による過剰の圧力が加わることをさらに低減でき、第一のゴム弾性層5の異常変形を回避する上で好ましいものである。尚、複数個の回り止め部1の一部について、第一のゴム弾性層5をリング状の樹脂部4の回転面に露出させる場合は、表面に積層する歯車状補強繊維基材にも対応する位置に切欠部10を形成しておく。
前記成形された歯部3は、必要に応じ切削加工により形状を整える。
本実施の形態による樹脂製歯車の製造は、上述した第一の樹脂製歯車の製造法の実施の形態に準じて実施する。A工程、B工程と同様にa工程、b工程を実施するが、異なる点は、C工程に代わるc工程において、歯車状補強繊維基材8に代えて歯形のないリング状補強繊維基材を用意する点である。
前記リング状補強繊維基材を用いて、D工程、E工程に準じd工程、e工程を実施する。そして、e工程の後に、f工程として、リング状の樹脂部4の外周に切削加工により歯部3を形成する。
実施例1
フッ素ゴム(旭硝子(株)製「AFLAS(登録商標)150P」)を金型成形してキャップ形状をした第一のゴム弾性層5を準備する。焼結金属製の金属製ブッシュ2の外周面と前記第一のゴム弾性層5の表面に耐熱性の離型剤((株)オーデック製「ホワイティルブ(商品名)」)を塗布し乾燥した上で、第一のゴム弾性層5を回り止め部1に被せ、回り止め部1の全体を覆っておく。
抄造用スラリを製造するために、補強繊維投入時の補強繊維濃度が4g/リットルとなる量の水を満たしたタンクを用意する。そしてこのタンク内に、リング状の樹脂部4中の補強繊維の繊維総量が40体積%となる量の補強繊維と残りが樹脂成分となる量のフェノール樹脂前駆体の粒子を入れる。具体的には、補強繊維として用いる繊維チョップとして、アスペクト比200のパラ系アラミド繊維(帝人(株)製「テクノーラ(登録商標)」)を50質量%、アスペクト比200のメタ系アラミド繊維(帝人(株)製「コーネックス(登録商標)」)を45質量%、そしてフリーネス値300mlまでフィブリル化処理した微細繊維(デュポン(株)製「ケブラー(登録商標)」)を5質量%となる量をそれぞれ投入する。次に攪拌機でタンク内の水を攪拌し繊維を分散させる。
上記スラリを用いてシート状補強繊維基材7を抄造し、これを加圧プレス機に投入して脱水を行なった後に乾燥して水分を除去する。当該シート状補強繊維基材7を抜きプレス機に投入し、歯形と中央に円形の穴9を穿設した歯車状補強繊維基材8を製造する。また、歯形と中央に円形の穴9および切欠部10を穿設した歯車状補強繊維基材8’を製造する。そして、歯車状補強繊維基材8,8’を用いて、図6に基づいて説明した方法により厚み20mmの歯車用素形体11’得る。
次に、歯車用素形体11’を200℃に加熱した成形金型20に配置して型締めする。そして、加熱加圧成形してフェノール樹脂前駆体を架橋反応させ硬化させたリング状の樹脂部4と歯部3とする。歯車用素形体11’は、金属製ブッシュ2とほぼ同厚みの13mmとなる。
この樹脂製歯車は、金属製ブッシュ2の外周面とリング状の樹脂部4の内周面の間は、固着していないが密着状態となっている。また、第一のゴム弾性層5とリング状の樹脂部4の間は、固着していないが密着状態となっている。
上記実施例1において図2に基づいて説明したように第一のゴム弾性層5に加えて第二のゴム弾性層6を装着し、金属製ブッシュ2の外周面と第一のゴム弾性層5および第二のゴム弾性層6とリング状の樹脂部4の内周面とは固着しないよう、実施例1と同様の耐熱性の離型剤による処理をしておき、そのほかは実施例1と同様とした。
上記実施例2において、まわり止め部1と嵌め合せるための切欠部を有するリング状の樹脂部4のみを成形する。そして、リング状の樹脂部4の中央に金属製ブッシュ2を配置しリング状の樹脂部4の内周と金属製ブッシュ2の外周の隙間にフッ素ゴムを隙間なく充填し加硫して、金属製ブッシュ2の外周面と第一のゴム弾性層5および第二のゴム弾性層6とリング状の樹脂部4の内周面とが固着された状態とした。
3次元CADソフトウェアによるモデリングにより、比較例1による樹脂製歯車の応力解析を実施した。すなわち、金属製ブッシュ2を固定した状態でリング状の樹脂部4の外周面を周方向にねじる応力解析を行ない、金属製ブッシュ2とリング状の樹脂部4に接着されている第一のゴム弾性層5が引張りにより破断する限界の引張り部に発生する応力(引張り部応力)とその時のトルクを求め、表1に示すとおりとなった。
表1の条件にて、各実施例と比較例における第一のゴム弾性層5の圧縮部に発生する応力(圧縮部応力)と引張部応力を解析し表2の結果を得た。
2 金属製ブッシュ
3 歯部
4 リング状の樹脂部
5 第一のゴム弾性層
6 第二のゴム弾性層
7 シート状補強繊維基材
8,8’ 歯車状補強繊維基材
9 穴
10 切欠部
11,11’ 歯車用素形体
Claims (11)
- 次のA〜Eの工程を経ることを特徴とする樹脂製歯車の製造法。
A工程:外周部に1以上の回り止め部が形成されて回転軸を中心にして回転される金属製ブッシュを用意する工程。
B工程:前記1以上の回り止め部に第一のゴム弾性層を装着する工程。
C工程:補強繊維と熱硬化性樹脂前駆体の粉末を液中に分散させてシート状補強繊維基材を抄造し当該シート状補強繊維基材を歯車状に裁断して前記金属製ブッシュの外周に嵌め合せるための円形の穴を有する歯車状補強繊維基材を用意する工程。
D工程:前記歯車状補強繊維基材を、その歯形を揃えて軸方向に所定枚数積層して歯車用素形体とする工程。
E工程:前記歯車用素形体を成形金型により軸方向に圧縮する加熱加圧成形に供して、前記A工程、B工程を経た金属製ブッシュの外周にリング状の樹脂部と当該樹脂部の外周に歯部を成形し、前記成形において、前記第一のゴム弾性層は、回り止め部とリング状の樹脂部の一方又は双方と固着せずに当接した状態にあり、前記金属製ブッシュの外周面は、リング状の樹脂部の内周面に固着せずに当接した状態にあるようにする工程。 - 歯車状補強繊維基材の内周には回り止め部に嵌り合う切欠部を設けておくことを特徴とする請求項1記載の樹脂製歯車の製造法。
- 次のa〜fの工程を経ることを特徴とする樹脂製歯車の製造法。
a工程:外周部に1以上の回り止め部が形成されて回転軸を中心にして回転される金属製ブッシュを用意する工程。
b工程:前記1以上の回り止め部に第一のゴム弾性層を装着する工程。
c工程:補強繊維と熱硬化性樹脂前駆体の粉末を液中に分散させてシート状補強繊維基材を抄造し当該シート状補強繊維基材をリング状に裁断して前記金属製ブッシュの外周に嵌め合せるための円形の穴を有するリング状補強繊維基材を用意する工程。
d工程:前記リング状補強繊維基材を、軸方向に所定枚数積層して歯車用素形体とする工程。
e工程:前記歯車用素形体を成形金型により軸方向に圧縮する加熱加圧成形に供して、前記a工程、b工程を経た金属製ブッシュの外周部にリング状の樹脂部を成形し、前記成形において、前記第一のゴム弾性層は、回り止め部とリング状の樹脂部の一方又は双方と固着せずに当接した状態にあり、前記金属製ブッシュの外周面は、リング状の樹脂部の内周面に固着せずに当接した状態にあるようにする工程。
f工程:前記リング状の樹脂部の外周に切削加工により歯部を形成する工程。 - リング状補強繊維基材の内周には回り止め部に嵌り合う切欠部を設けておくことを特徴とする請求項3記載の樹脂製歯車の製造法。
- 第一のゴム弾性層を前記1以上の回り止め部に装着するステップに、前記金属製ブッシュの外周面に第二のゴム弾性層を装着するステップを付加して、リング状の樹脂部の成形において、前記第一のゴム弾性層は、回り止め部とリング状の樹脂部の一方又は双方と固着せずに当接した状態にあり、第二のゴム弾性層は、金属製ブッシュの外周面とリング状の樹脂部の内周面のそれぞれに固着せず当接した状態にあるようにすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の樹脂製歯車の製造法。
- 第一のゴム弾性層と第二のゴム弾性層は連結されて環状体に構成されていることを特徴とする請求項5記載の樹脂製歯車の製造法。
- 前記環状体は、第一のゴム弾性層と第二のゴム弾性層が連結された円弧状部材の組合せで構成されていることを特徴とする請求項6記載の樹脂製歯車の製造法。
- 複数個の回り止め部の一部については、第一のゴム弾性層をリング状の樹脂部の回転面に露出させることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の樹脂製歯車の製造法。
- 第一のゴム弾性層は、回り止め部とリング状の樹脂部の双方に固着せずに当接した状態にあるようにすることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の樹脂製歯車の製造法。
- 前記D工程又はd工程において、金属製ブッシュを挟んでその両側から、歯車状補強繊維基材又はリング状補強繊維基材を軸方向に所定枚数積層し、熱と圧力で仮成形して中央に金属製ブッシュを配置した状態で歯車状補強繊維基材又はリング状補強繊維基材を一体にした歯車用素形体とする請求項1又は3に記載の樹脂製歯車の製造法。
- 所定枚数積層した歯車状補強繊維基材又はリング状補強繊維基材は、積層方向中央には回り止め部に嵌り合う切欠部を設けた当該補強繊維基材を用い、前記切欠部を設けた補強繊維基材の層を挟んでその両側には前記切欠部を設けていない当該補強繊維基材を用いることを特徴とする請求項10記載の樹脂製歯車の製造法。
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