JPH05240326A

JPH05240326A - 繊維強化樹脂歯車

Info

Publication number: JPH05240326A
Application number: JP4042988A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Hamashima; 兼男浜島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1993-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】歯部７の噛み合い面７０の耐摩耗性を確保した
繊維強化樹脂歯車を提供すること。【構成】メタ系アラミド繊維を０°、９０°で配向させ
た布と、ＳｉＣウィスカーを５体積％添加したフェノー
ル樹脂とを用い、布にフェノール樹脂を含浸させたプリ
プレグを用いる。この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する。
更に、これを加熱圧縮成形したリング状素材を得る。リ
ング状素材の外周部を歯切りし、歯部７の噛み合い面７
０において木の年輪状に繊維を配向させるとともに、噛
み合い面７０にＳｉＣウィスカーを分散させる。繊維は
歯部７において放射方向にも配向している。

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補強布を渦巻状に巻い
て棒状とするとともに、その棒状の両端を合わせてドー
ナツ状としたプリプレグ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２４１７
２９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、歯車使用条件の苛
酷化に伴い、歯部の噛み合い面の耐摩耗性が不足すると
いう問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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、歯部の噛み合
い面の耐摩耗性の向上を図り得る繊維強化樹脂歯車を提
供することにある。

【０００５】

【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、補強布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補強体を埋設し
たプリプレグ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補強体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、歯部は、歯部の噛み
合い面に分散されて表出する微小硬質体をもつことを特
徴とするものである。

【０００６】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。本発明の繊維強化樹脂歯車で
用いる繊維は、基本的には歯車を形成可能であれば良
く、特に制約を受けるものではないが、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
維が好ましい。場合によってはカーボン繊維、ガラス繊
維、パラ系アラミド繊維を用いることができる。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。

【０００７】微小硬質体は歯部の噛み合い面に分散され
て表出している。微小硬質体は、硬度がＨｖ４００以
上、大きさが直径３０μｍ以下が好ましい。微小硬質体
として、一般的にはウィスカー、粒子、繊維チョップ等
を採用できる。ウィスカーはセラミックスウィスカー、
金属ウィスカーを採用でき、例えば、炭化珪素ウィスカ
ー、アルミナウィスカーを採用できる。ここで、微小硬
質体の量が多いと耐摩耗性は向上するものの、加工性は
低下する。そのため、微小硬質体の割合は、体積％で２
％〜２０％程度が好ましい。繊維及び微小硬質体の総量
は、繊維強化部全体を１００％としたとき、体積％で４
０〜６０％程度が好ましい。

【０００８】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、Ｐ
ＥＳ、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ等の各種熱可塑性樹脂であって
良い。即ち、繊維と何らかの方法で複合化可能な樹脂で
あれば良い。

【０００９】

【作用】歯部には繊維が木の年輪状に配向しているの
で、この配向に伴い、歯部は強化される。また歯部の噛
み合い面には、微小硬質体が分散されているので、噛み
合い面における耐摩耗性が向上する。

【００１０】

【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−ル樹脂に、高
硬度の炭化珪素（ＳｉＣ）ウィスカー（タテホ化学工業
株式会社『ＳＣＷ』）を添加して均一に攪拌した。炭化
珪素ウィスカーは樹脂に対して体積％で５％とした。そ
して、そのワニス状のフェノ−ル樹脂を平織のアラミド
繊維布に含浸させた後、溶剤を乾燥除去し、これにより
炭化珪素ウィスカーとアラミド繊維とフェノ−ル樹脂と
から成るプリプレグシートを作成した。

【００１１】ところで、アラミド繊維布の繊維間、繊維
の網目に炭化珪素ウィスカーは補集され易いことになる
ので、後の各工程において炭化珪素ウィスカーが繊維か
ら外れることは抑制される。そして上記したプリプレグ
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２
３５ｍｍ、幅Ｌ２が１８２ｍｍ、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、１
ｙの配向は辺１ｃに対して０°と９０°である。なお、
繊維１ｘ、１ｙの１本は、１２μｍ程度の径の極細糸を
多数本集束させたものであり、１本の径は０．１ｍｍで
ある。

【００１２】ここで、炭化珪素ウィスカーは、硬度がＨ
ｖ３３００程度、平均径が１μｍ、平均長さが５０μｍ
である。また、上記したプリプレグ１を構成するアラミ
ド繊維布の特性について説明する。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１２５０ｋｇ／ｍｍ²、ヤーン特性として
番手は２０ｔｅｘ、目付１３０ｇ／ｍ²である。

【００１３】（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。

【００１４】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。

【００１５】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炭化珪素ウィスカーと
の双方で強化されている。ここで、リング状素材６は、
内径Ｌ７が４０．０ｍｍ、外径Ｌ９が７９．０、厚さｔ
が１０ｍｍ、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、
アラミド繊維の量は体積率で４０％であり、炭化珪素ウ
ィスカーの量は体積率で３％であり、アラミド繊維と炭
化珪素ウィスカーとが全面に均一に分散されている。

【００１６】（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。

【００１７】ところで、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７
０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１０２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１
０４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１０
３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。また噛み合い面７
０には炭化珪素ウィスカーが分散されて表出している。

【００１８】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、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。また、繊維同士の接触
は繊維強化部のクラック等の要因となり易い。この点本
実施例では繊維同士の接触はウィスカーにより抑制され
易いので、かかる点からして歯部７の強度増加に有利で
ある。

【００１９】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、歯部７の噛み合い面
７０の全面には炭化珪素ウィスカーが分散されて表出し
ており、そのため耐摩耗性の向上も図ることができる。

【００２０】（他の実施例）他の実施例として、アラミ
ド繊維の量を４０％としたままで、ワニス状のフェノー
ル樹脂への炭化珪素ウィスカーの添加量のみを表１に示
す様に変更して、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．ｇ）を作成した。

【００２１】

【表１】さらに、別の実施例として、体積％で、アラミド繊維の
量を４０％とし微小硬質体の割合を３％としたままで、
ワニス状のフェノール樹脂へ添加する微小硬質体の種類
を表２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．ｈ〜ＮＯ．
ｎ）を作成した。

【００２２】

【表２】ここで、ＮＯ．ａ〜ＮＯ．ｎ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、アラミド繊維が木
の年輪状に配向しており、また、歯部７の噛み合い面７
０には各微小硬質体が均一に分散されている。

【００２３】（比較例）比較例として、炭化珪素ウィス
カーを添加することなく、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を作成した。（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、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、２
０００ｒｐｍの回転数で前記の各種歯車を駆動させ、５
０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９、図１０に示す。

【００２４】（１）炭化珪素ウィスカーの体積％の影響図９の縦軸が噛み合い面の摩耗量、横軸が炭化珪素ウィ
スカーの体積％を示す。図９に示す試験結果より、アラ
ミド繊維のみで複合化した比較例では、摩耗量が８０μ
ｍを超えており、最も摩耗量が大きい。しかし、ＮＯ．
ａ、ＮＯ．ｂ、ＮＯ．ｃ、ＮＯ．ｄ、ＮＯ．ｅ、ＮＯ．
ｆ、ＮＯ．ｇの順に、つまり、炭化珪素ウィスカーの増
加に伴って摩耗量が減少している。なかでも炭化珪素ウ
ィスカーが２体積％含有されたＮＯ．ｃ、あるいは実施
例１では、摩耗量が急激に減少している。この試験結果
から、耐摩耗性の向上に炭化珪素ウィスカーの２％以上
の添加が効果的であることがわかる。

【００２５】（２）微小硬質体の硬度の影響図１０の縦軸が噛み合い面の摩耗量、横軸が微小硬質体
の硬度を示す。図１０に示す試験結果より、Ｈｖ４００
以上の微小硬質体が効果的であることがわかる。ＮＯ．
ｌ、ＮＯ．ｍ、ＮＯ．ｎは炭化珪素粒子の径を変更した
ものであり、これらを比較すると、炭化珪素粒子が同量
であるにもかかわらず、粒子直径により差が生じ、粒径
が３μｍのＮＯ．ｌでは摩耗量が少なく、粒径が５０μ
ｍのＮＯ．ｎでは摩耗量が多く、粒径が３０μｍのＮ
Ｏ．ｍでは摩耗量はその間の値であった。このことか
ら、摩耗量の低減には粒径が３０μｍ以下が効果的であ
ることがわかる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の繊維強化樹脂歯車によれば、歯
部の噛み合い面には、微小硬質体が分散されて表出して
いるので、歯部の噛み合い面における耐摩耗性を向上で
きる。又、繊維同士の異常接近を微小硬質体で抑制でき
るので、繊維同士の異常接近に起因するクラック等の不
具合を解消するのに有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は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】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】摩耗量と炭化珪素ウィスカーの含有率との関係
を示すグラフである。

【図１０】摩耗量と微小硬質体の硬度との関係を示すグ
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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】補強布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補強体を埋設し
たプリプレグ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該補強体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、該歯部は、該歯部の噛み合い面に分散されて表出する微
小硬質体をもつことを特徴とする繊維強化樹脂歯車。