JPH01112075A - 繊維強化樹脂歯車およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、繊維強化樹脂歯車およびその製造方法に関し
、詳しくは歯面の摩耗、歯元の破損などに対する強度に
優れた繊維強化樹脂歯車およびその製油方法に係り゛、
平歯車、ハスバ歯車などに有効である。

［従来の技術］ 従来、積層ベークライト、ナイロンなどの合成樹脂製歯
車が知られている。この合成樹脂製歯車は、軽量、耐蝕
性、騒音抑止効果、無給油性などの優れた特性を有して
いるため、近年金属製歯車に代って利用が高まっている
。そして、強度の向上を図るために、炭素ｗ４維、有機
繊維を合成樹脂の中に分散させた複合材料からなる歯車
も多く使用されている。特にこの複合材料からなる歯車
では、歯車の歯面の耐摩耗性、歯元強度を更に向上させ
ることを目的として、強化繊維を強化繊維の長手方向が
、歯車の外周方向と一致させている。

この歯面上に表面に沿って配置して強化した繊維強化樹
脂歯車は、金属歯車と樹脂歯車との性能を補完する歯車
として利用されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来、歯面に沿って繊維を配置した繊維強化樹脂歯車で
は、第８図に示すように織物のたて糸（またはよこ糸）
が、歯車軸に対して平行あるいは垂直に配列して該織物
を歯車の歯面に沿って配置されている。そのため、織物
のたて糸の全長が歯車の歯型形状の全周と完全に一致し
ていない場合は、例えば長いと歯面上で織物に゛しわ″
がよる。またたて糸が歯型形状の全周より短い場合には
、歯車の歯先まで繊維が配置されず歯先の形状が不完全
な場合が生じる。さらにたて糸はよこ糸と粗細を成して
いるため、自由に屈曲できない。

そのため、織物が金型形状に沿って完全に変形せず、そ
の結果織物が歯元に沿って完全に配置されない場合が生
じる問題点を有している。

繊維を歯部に沿って配置した繊維強化樹脂歯車の製造方
法は概ね次の様である。まず連続な４１維を一方向に引
き揃え、樹脂を含浸したテープ状の複合材料（プリプレ
グ）を、所定の幅（歯車の厚さに等しい）所定の長さ（
歯車の歯面に沿った周長）に切断する。ついでそれを特
殊な治具を用いて歯型と同形を成す環状のプリフォーム
体（樹脂は未硬化）とする。つぎに歯型形状を有する金
型のキャビティー内に前記プリフォーム体を歯型が一致
する様に挿入し、ブリ°フオーム体の内側部に短繊維強
化樹脂を所定邑注入する。ついで前記強化繊維を中心部
より外周側に向けて加圧し、歯車形状としたのち樹脂を
硬化させて、連続なｍ維を南面に沿って配置した繊維強
化樹脂を成形している。

しかしながら前記製造方法による繊維強化樹脂歯車では
、ｍＨの繊維軸が歯面の外周方向に連続的に配置してい
るため、歯元強度を高めるには効果がある。

しかし繊維の剛性が高いために、歯車の成形時に金型の
形状に繊維がなじまず、金型の歯車形状が完全には転写
されず成形した歯車の精度が低下する。そのため歯車の
使用時には、歯面の摩耗量が多くなる場合がある。

また、上記の成形においては、テープ状の複合材料を歯
車形状にプリフォームする際に、特殊な治具が必要であ
ったり、またプリフォーム形成にはかなりの時間を要し
た。またプリフォーム化した複合材料は、テープ状であ
るため、変形しやすく、それを金型内に挿入することが
非常に困難であるという不具合があった。

本発明はこの様な問題点に鑑みて鋭意検討の結果なされ
たものであり、歯車の歯面に沿って強化繊維から成る強
化織物複合材を配置した繊維強化樹脂歯車およびその効
果的な製造方法を提供するものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の第１の発明のＩＩＮ強化樹脂ｍｓは、樹脂部と
、該樹脂部内に配置され該樹脂部と一体的に結合した強
化！ｌ帷とから形成され、ほぼ円板形状の基部と、基部
の周表面に突出した歯部とを有する繊維強化樹［１１１
歯車において、該歯部は、表面層に強化織物複合材面を
有し、該強化織物複合材　゛の織物の組織を構成１“る
糸が、歯部の軸方向に対し傾斜をもった状態に配置され
た織布で構成されていることを特徴とする。

本発明の繊維強化樹脂歯車は合成樹脂と繊維とが一体的
に結合した、ＦＲＲまたはＦＲＴＰである。この歯車は
ほぼ円板形状の基部と、基部の周表面に突出した歯部と
からなる。この歯部の表面層には強化織物複合材面を有
している。

強化織物複合材としては、高強度でかつ耐摩耗性に優れ
た炭素繊維、炭化珪ｍｔａｎ、ガラス繊維、あるいはケ
ブラー繊維などの有＊ｍｍ等を織物に加工し、この織物
にエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール
樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂あるいは場合
によってはナイロン、ポリアセタールなどの熱可塑性樹
脂を用いて複合化することができる。

基部に用いる複合材料には、エポキシ樹脂、不飽和ポリ
エステルｌｌｌ１ｉ、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂
などの熱硬化性樹脂にガラス繊維、炭素繊維、炭化珪素
繊維あるいはケプラー繊維の短繊維が分散したＢＭＯや
ＳＭＯを用いることができる。また、ナイロン、ポリア
セタール樹脂に前記の短繊維を分散した熱可塑性樹脂を
用いることもできる。

強化繊物複合物の織物組織の糸は、歯車の軸方向に対し
て傾斜をもった状態に配置する。織物の組織を構成する
糸が歯車の軸方向に対して傾斜をもったテープ状の織物
は、長手方向に伸ばすことが可能である。従って、テー
プの全長が歯型形状の全周長より短い場合でも、成形時
にテープが伸びるため強化織物複合材が金型の歯型面に
なじみやす（なる。またたて糸が歯型形状−に沿って屈
曲させて配置される従来品の場合は、歯先および歯元で
はその屈曲部の曲率半径が小さくなるため、たて糸が十
分に屈曲せず金型と織物との間に隙間が生じていた。本
発明では、織物組織の糸が歯型に対して傾斜をちって配
置されるため、屈曲部の糸の曲率半径が大きくなり、そ
の結果強化織物複合材は金型の歯型形状に沿って変形し
やすくなる。

したがって成形された繊維強化樹脂歯車の精度が向上し
、そのため歯面の摩耗量も低下する。また製造において
も以下の利点が得られる。

本発明の製造方法は、歯部の表面層に形成される強化織
物複合材を予めプリフォームすることなく歯車の成形時
、金型のキャビティー内に配訝し注入される樹脂を加圧
して歯面を形成することである。そのために複合材料の
プリプレグには一方向に連続した繊維を引き揃えたプリ
プレグを用いるのではなく、強化繊維を織物に加工し、
それに樹脂を含浸させた強化織物複合材を使用する。こ
の強化織物複合材に用いる織物は、所定の幅、所定の長
さに切断する際に、たて糸あるいはよこ糸に対して斜め
に裁断することである。この様に裁断された織物のテー
プ状物は、長手方向に引張るとたて糸とよこ糸の交差す
る角度が変化してテープ状物の長さが長くなる。すなわ
ち、このテープ状体は、張力に対して自由に変形する。

本発明は、この現象を利用して、歯車成形時に強化織物
複合材を歯型形状に沿って変形させ、かつ歯部に配置さ
せる方法である。

本発明の第２の発明の繊維強化樹脂歯車の製造方法は、
略円筒状に形成したテープ状の強化織物複合材を歯型を
有Ｊる金型のキャビティーの歯部面近傍に配置する第１
工程と、 該円筒状の強化織物複合材の内側部に樹脂を注入加圧し
、樹脂による押圧により該強化織物複合材を談合型の南
部面に密着させるとともに樹脂を硬化させて歯車を形成
する第２工程と、からなる歯部表面に強化織物複合材面
を有することを特徴とする。

第１工程は強化用織物をたて糸方向に対して斜め方向に
裁断したテープ状織物に、強化樹脂を含浸させて形成し
た強化織物複合材を、円筒状に形成して金型のキャビテ
ィーに配置する。このほぼ円筒状の強化織物複合材はキ
ャビティーの南面近傍に配置し樹脂による押圧により容
易に金型の歯面に密着する位置に配置するのが好ましい
。

第２工程では、金型のキャビティー内に配置された強化
織物複合材の内側に繊維強化樹脂を注入する。ついで注
入した樹脂を軸方向より南面部に流れるように加圧して
、強化織物複合材を歯面に押圧し密着させるとともに樹
脂も硬化させる。この樹脂の加圧は、例えば金型の可動
型をキャビティーを有する固定型に嵌合加圧させて形成
することができる。この際注入されるｍ雑強化樹脂は高
粘度であるために、強化織物複合材を貫通することなく
金型の歯部に押圧することができる。またこの時織物の
組織が歯面に対して傾斜を有するため交差角度を変化さ
せて伸びることが可能となり、強化織物複合材が不良変
形して歯面への密着不良となることが防がれる。従って
金型の歯面が複製された精度の高い歯車が製造できる。

なお強化樹脂が熱硬化型の場合は加圧後加熱硬化させる
。

［発明の作用および効果］ 本発明の繊維強化樹脂歯車は、高強度で耐摩耗性の高い
繊維からなる織物を用いて強化織物複合材を形成し、こ
の強化織物複合材面を歯車の歯部の表面層に配置された
ものである。そして強化繊物の織目を構成する糸が南部
の軸方向に傾斜をもっている。このため強化織物複合材
を内側より強化樹脂で押圧することにより、強化織物複
合材が金型の歯面に密接し金型歯面に対応した精密な歯
車が製造される。また従来のように強化織物複合材をプ
リフォームする必要がない。従って高強度で歯車精度の
高くかつ耐摩耗性の歯車が容易に得られる。

［実施例］ 本発明に基づき、平歯車（モジュール５、歯数１８、基
準ピッチ円直径９０ＩｌｌＩ１１１歯先円直径１００Ｉ
Ｉ１１１歯幅２０＋１１、精度ＪＩＳＪ級）の成形を実
施した。

（第１工程） ケブラー繊維からなる平織物に不飽和ポリエステル樹脂
を含浸させた強化織物複合材をたて糸に対して４５′″
傾けて裁断してテープ状に形成した。

第３図に前記強化織物複合材の織目の模式図を示す。こ
のテープ状の強化織物複合材を、直径８０ｍ＋１１の円
筒状に三重巻きにして形成し、第４図に示す金型の歯車
の形状のキャビティー７を有する固定型６の歯部底面に
強化織物複合材８を配置した。

（第２工程） 前記のキャビティー７を有づる固定型６の強化織物複合
材８の内側に、ガラス繊維と不飽和ポリエステルとから
なるＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ　　Ｍｏｕｌｄｉｎｇ　　ＣＯ
ｍｐＯｕｎｄ）を直径７０ＩＩＩＩｌｌの円盤状に切り
出して積層して充填した。このＳＭＣの積層厚さは強化
織物複合材の１．５倍以下である。ついで前記歯型のキ
ャビティーと同一形状の加圧可動型を嵌合させて徐々に
加圧し５０〜２００ｋｇ／ｃｍ２まで加圧した。ついで
加熱硬化した後説型して繊維強化樹脂を得た。

第１図は繊維強化樹脂ｆｉｌ車の要部平面図である。

ＳＭＣで構成されＢｇ部１と、基部の周表面に突出した
歯部２と強化織物複合材面３とが一体的に結合されてい
た。第２図の南部の要部斜視図に示すように歯部２の表
面層には織物の組成を構成する糸５が歯部の軸方向４に
対し傾斜をもった状態に配置された強化織物複合材面３
が形成されていた。

［比較例］ 性能比較のために、強化織物複合材を配置しないＳＭＣ
のみから成る歯車を同様の方法で成形した。

（評価） 第５図に示す加圧試験閤に歯車の歯先を挟み加工した。

この際歯車の歯先の単位中当りの耐荷重とその時の変位
ｍ（たわみ）を測定した。第６図にその結果を示した。

本発明のｌｊＪ造方法で成形した歯車は比較例量に比し
て強度および剛性が向上していることを確認した。すな
わち単位歯幅当りの耐荷重が約２０ｋｑ／ｍｍ向上して
いた。

また動力循環式歯車疲労試験機にて、各歯車の耐久性を
比較した。結果を第７図に示す。比較例では歯車の回転
により南面の摩耗および温度上昇による歯車の剛性低下
によって、伝達トルクは試験時間の経過に伴って急激に
低下するが、本発明での製造方法で成形した歯車は、ケ
ブラー繊維からなる織物複合材が歯面に沿って配置され
ているため、歯部が平滑で精度も高く、そのため歯部の
摩耗が少なく、温度上昇による剛性低下もなくそのため
伝達トルクはほとんど低下しないことを確認した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例の４ａ維強化樹脂歯車の要部平面図、
第２図は本実施例の繊維強化樹脂歯車の歯部の斜視図、
第３図は強化織物複合材の織物の織目を説明する模式図
、第４図は本実施例の製造方法における金型のキャビテ
ィー内の配置説明図、第５図は剛性および歯元強度を試
験する装置の要部正面図、第６図は単位歯幅当りの耐荷
重とだわみｈｌとの関係を示すグラフ、第７図は時間と
トルク変動との関係を示すグラフ、第８図は従来の強化
繊維樹脂歯車の歯部を示す要部斜視図である。 １・・・基部　　　　　　　２・・・歯部３．８・・・
強化織物複合材 ４・・・軸方向　　　　　　５・・・織物の糸方向６・
・・金型　　　　　　　７・・・キャビティー９・・・
強化樹脂 特許出願人　　　株式会社壺田中央研究所代理人　　　
　弁理士　大川　宏 弔１図 第４図 第５図 第６図 たわゐ（ｍｍ） 第７図 時　間　（分）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）樹脂部と、該樹脂部内に配置され該樹脂部と一体
   的に結合した強化繊維とから形成され、ほぼ円板形状の
   基部と、基部の周表面に突出した歯部とを有する繊維強
   化樹脂歯車において、 該歯部は、表面層に強化繊物複合材面を有し、該強化織
   物複合材の織物の組織を構成する糸が、歯部の軸方向に
   対し傾斜をもった状態に配置された織布で構成されてい
   ることを特徴とする繊維強化樹脂歯車。
2. （２）略円筒状に形成したテープ状の強化織物複合材を
   歯型を有する金型のキャビティの歯部面近傍に配置する
   第１工程と、 該円筒状の強化織物複合材の内側部に樹脂を注入加圧し
   、樹脂による押圧により該強化織物複合材を、該金型の
   歯部面に密着させるとともに樹脂を硬化させて歯車を形
   成する第２工程と、からなる歯部表面に強化繊物複合材
   面を有することを特徴とする繊維強化樹脂歯車の製造方
   法。
3. （３）前記樹脂は、繊維強化樹脂である特許請求の範囲
   第２項記載の繊維強化樹脂歯車の製造方法。