JPH06210756A

JPH06210756A - 繊維強化樹脂製ハスバ歯車及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06210756A
Application number: JP5006764A
Authority: JP
Inventors: Kaneo Hamashima; 兼男浜島; Shoji Sawai; 昭治沢井
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Resonac Corp
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1994-08-02

Abstract

(57)【要約】【目的】歯車駆動時に高精度な噛合いを可能とする繊維
強化樹脂製ハスバ歯車を提供する。【構成】素材の熱膨張率に異方性を有する繊維強化樹脂
製ハスバ歯車であって、歯形緒元のうち少なくとも捩じ
れ角は、該素材の熱膨張率の異方性を考慮して歯車駆動
温度にて相手歯車と最適噛合いとなるように設定されて
いることを特徴とする。摩耗特性に大きな影響を与える
捩じれ角が、素材の熱膨張の異方性を考慮して歯車駆動
温度にて相手歯車と最適噛合いとなるように設定されて
いるので、駆動時に熱膨張により歯形が変形しても、相
手歯車との間で片当たり等を生ずることがなく、偏摩耗
が効果的に抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯部構成部材の補強材
として強化繊維を用いた繊維強化樹脂製ハスバ歯車、及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】歯車材料としては、特に高負荷用途で
は、鋼等の金属材料が一般的であるが、近年歯車の噛合
い音の解消を図るため樹脂材料を用いたものが検討され
ている。樹脂製歯車は耐摩耗性を向上させるという観点
から、一般に各種強化繊維で補強された形、即ちＦＲＰ
として製造され、主に次のようなものがある。

【０００３】（１）射出成形によるチョップド繊維強化
樹脂製歯車（例えば、特開示平２−８５４２号公報）（２）圧縮成形による連続繊維強化樹脂製歯車（例え
ば、特開平２ー２４１７２９号公報）これらのうち（１）の歯車が一般的であり、各方面で広
く応用されているが、チョップド繊維強化の場合、噛合
わせる相手歯面を摩耗させやすく、高負荷用の歯車とし
ては不向きである。このため、特に高速あるいは高負荷
を要する歯車部品に対しては（２）の歯車が実用されて
いる。

【０００４】この連続繊維強化樹脂製歯車は、特開平２
ー２４１７２９号公報にも開示されているように、繊維
クロス材を渦巻き状にしたものが歯車外周（歯先部）に
沿って配置されており、歯車の周方向に沿って配置され
て歯面の耐摩耗性に寄与する繊維と、これと垂直方向
（歯車の遠心方向）に沿って配置されて歯先強度に寄与
する繊維とが効率的に配置されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような連続繊維を特定配向で複合強化させた場合、強度
等は効率的に向上できる反面、熱膨張率には明らかに異
方性が生じる。このため、高精度な歯形加工を行ったも
のであっても、実際の駆動時には摩擦発熱等により昇温
するので、熱膨張率の異方性により、歯スジの狂いが生
じる等の問題があり、本来の材料が持つ高強度な特徴を
生かしきれない状況にある。

【０００６】例えば、上記の連続繊維強化樹脂製歯車と
スチール歯車とをハスバ歯形で組合わせた場合（一方が
駆動側、他方が被駆動側）、冷間時は良好かつ高精度な
噛合いが可能であるが、実際にギヤを駆動させると、摩
擦発熱あるいは動力源（内燃機関等）の熱により両歯車
は昇温することになる。この際、スチール歯車は熱膨張
率に異方性が無いため、実質的に均等に熱膨張するのに
対し、繊維強化歯車は素材の異方性により、例えば、歯
車の周方向と厚さ方向の熱膨張率が異なり、結果として
歯スジ（ねじれ角）に狂いを生ずる。したがって、冷間
時のような高精度な噛合いができなくなり、片当りによ
る偏摩耗等の不具合を生じ易くなる。

【０００７】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、歯車駆動時に高精度な噛合いを可能とする繊維強
化樹脂製ハスバ歯車、及びその製造方法を提供すること
を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１記載の繊維強化樹脂製ハスバ歯車は、素材の熱膨張
率に異方性を有する繊維強化樹脂製ハスバ歯車であっ
て、歯形緒元のうち少なくとも捩じれ角は、該素材の熱
膨張率の異方性を考慮して歯車駆動温度にて相手歯車と
最適噛合いとなるように設定されていることを特徴とす
るものである。

【０００９】また、上記課題を解決する請求項２記載の
繊維強化樹脂製ハスバ歯車の製造方法は、素材の熱膨張
率に異方性を有する繊維強化樹脂製ハスバ歯車の製造方
法であって、歯車粗形材を歯車駆動温度まで昇温させ、
その状態で相手歯車と最適噛合いとなるように歯形加工
を施すことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】本発明の繊維強化樹脂製ハスバ歯車は、歯形緒
元のうち少なくとも捩じれ角が素材の熱膨張率の異方性
を考慮して設定されている。このねじれ角の狂いは、相
手歯車との噛合いにおいて片当たりによる偏摩耗を発生
させる主原因となる。本発明では、歯車駆動温度にて相
手歯車と最適噛合いとなるように、上記捩じれ角が設定
されているので、駆動時に熱膨張により歯形が変形して
も、相手歯車との間で片当たり等を生ずることがなく、
偏摩耗が効果的に抑制される。

【００１１】また、繊維強化樹脂製の歯車においては、
ミクロ的な強化繊維の配向乱れは不可避であるため、素
材をミクロ的に見た場合、同一方向に配向しているよう
であっても、部位によりわずかに熱膨張率が異なる。し
かし、請求項２記載の製造方法では、歯車粗形材を駆動
温度まで昇温させた状態で最適歯形へと歯形加工するの
で、駆動時に熱膨張により歯形が変形した際には、相手
歯車との最適噛合いを達成することができる。このた
め、より確実に偏摩耗を抑制することが可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。（実施例１）（素材の製造）表１に繊維特性及びクロス特性を示すよ
うに、アラミド繊維とカ−ボン繊維とからなる平織の混
合繊維クロスを準備した。この混合繊維クロスに、溶剤
によりワニス状に溶融させたフェノ−ル樹脂を含浸さ
せ、この溶剤を乾燥除去してアラミド繊維／カ−ボン繊
維混織クロスとフェノ−ル樹脂とからなるプリプレグシ
ートを作成した。

【００１３】

【表１】なお、メタ系アラミド繊維は、ＦＲＰとして機械加工性
に優れ、低弾性率であり、歯車の発生音を低く抑える特
徴をもち、またカ−ボン繊維は強度、耐摩耗性に優れる
ものである。

【００１４】（歯車粗材製造）前記プリプレグを図１の
ように、長辺１ａの垂線（長辺方向、及び長辺の垂線方
向が繊維の配向方向である）に対して短辺１ｂが５度傾
き、長辺２３５ｍｍ×短辺２２８ｍｍの大きさの平行四
辺形状に切断して切断片１を得た。そして、図２に示す
ように、この切断片１を、長辺１ａを軸とする棒状とな
るように端部から渦巻き状に巻き取って、これを湾曲さ
せてリング状の予備成形体２を得た。

【００１５】なおリング状予備成形体２の合せ部（渦巻
き棒の合せ）２ａ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した。また、このオーバーラ
ップの長さは図１のプリプレグ切断時にその形状を工夫
することにより任意に設定することができる。このよう
にして得たリング状予備成形体２を、図３のように合せ
部２ａが１８０°対向するように２本重ねて、外周に凹
凸加工を施した鋼製インサート（外径φ５５．０ｍｍ）
３とともに図４に示す下型４１、中子４２及び円筒状の
加圧パンチ４３よりなる金型内にセットし、加熱圧縮成
形を行った。この際の成形条件は、温度１８０℃、圧力
２５０ｋｇｆ／ｃｍ²、加圧時間１５分であった。これ
により、鋼製インサート３の外周に、凹凸により強固に
結合した繊維強化樹脂部５ａが一体的に形成された歯車
粗形材５を作製した。

【００１６】なお、この歯車粗形材５は、内径φ４０．
０ｍｍ、外径φ７６．５ｍｍ、厚さ１０．ｍｍであり、
繊維強化樹脂部５ａの強化繊維総量は体積率にして５０
％、そのうち８０％がアラミド繊維、２０％がカ−ボン
繊維の構成であり、両繊維は全面にほぼ均一に分散して
複合化されていた。また、歯車粗形材５の熱膨張率を測
定したところ、強化繊維の異方性により、周方向と厚さ
方向により差が生じており、以下の結果となった。

【００１７】周方向：１４．１×１０^-6／℃ 厚さ方向：４３．８×１０^-6／℃ このように、周方向と厚さ方向とでは３倍以上の熱膨張
率の差が認められ、高精度な歯形加工を施したものであ
っても、ハスバ歯車の場合、駆動により昇温すると、図
７のように歯スジに狂いが生じると予想される。またこ
の歯車粗形材５の場合、厚さ方向の熱膨張が大きいこと
から、ねじれ角が小さくなる方向へと歯スジが狂う。

【００１８】（歯車の加工）そこで、本実施例では、上
記歯スジの狂いを考慮し、表２に示すように、歯車設計
スペックに対し、意図的にその加工スペックを変更し
て、歯車粗形材５の外周に歯形を機械加工した。

【００１９】

【表２】表２の歯車加工スペックは、上記歯車粗形材５を歯車駆
動温度である１００℃に加熱した場合に、表２の設計ス
ペックへと、熱膨張変形するように考慮したものであ
る。

【００２０】（実施例２）上記実施例１と同様にして得
た歯車粗形材５を、歯車駆動温度、即ち１００℃に昇温
させた状態で、上記表２に示す設計スペックへと歯形加
工した。この歯車は１００℃にて完全な設計歯形を有
し、冷間時にはその熱膨張率の異方性により、ねじれ角
がやや大きい側へと変形し、ほぼ表２に示す加工スペッ
ク歯形へと変化するものであった。

【００２１】（比較例）上記実施例１と同様にして得た
歯車粗形材５を、室温にて上記表２に示す設計スペック
へと歯形加工した。この歯車は、室温にて設計値通りの
歯形を有する。（特性評価）上記実施例１、２、及び比較例の歯車をそ
れぞれ鋼製（ＳＣｒ２０、表面窒化処理品）歯車と組合
わせて、３ｋｇ・ｍの駆動トルクを加えて、２０００ｒ
ｐｍの回転数で駆動させ、１００時間経過後までの摩耗
量を比較評価した。

【００２２】なお、相手歯車のスペックは、上記表２の
設計スペックであり、ねじれ角のみ反対方向としてい
る。また、この鋼製歯車は、等方的に熱膨張するため、
１００℃に昇温した場合もねじれ角の狂い等は生じな
い。本評価は、カムシャフトギヤ等、内燃機関用途を想
定し、潤滑油温８０℃に管理して行った。駆動時には、
摩擦発熱が加わるため、歯車実測温度で１００℃に達す
る。

【００２３】上記比較評価途中における各繊維強化製樹
脂歯車の摩耗量（歯面摩耗深さ）を測定した結果を図６
に示す。なお、これは３２歯の平均値である。比較例の
歯車では、わずかではあるが歯面に片当りを生じてお
り、図６からも明らかなように実施例１、２の歯車より
も摩耗量が多いことがわかる。これに対し、実施例１の
歯車では片当りはほとんど見られず摩耗量も少ない。ま
た実施例２の歯車ではさらに摩耗量は少なく、理想的な
噛合いにより駆動していることがわかった。

【００２４】なお、上記実施例では、素材の熱膨張率が
特に大きい連続繊維強化樹脂製歯車に本発明を適用する
例を示したが、本発明はチョップド繊維強化樹脂製歯車
にも有効に適用することができる。また、上記実施例１
のように、歯形緒元の各項目全てを昇温時に合わせて加
工することが最適ではあるが、本発明は、最も摩耗特性
に影響を与えるねじれ角を少なくとも昇温時に合わせて
設定すれば有効となり、特に１０度以上のねじれ角を有
するハスバ歯車に対して効果的となる。

【００２５】

【効果】以上詳述したように、本発明に係る繊維強化樹
脂製ハスバ歯車は、素材の熱膨張率の異方性により駆動
時に歯形が熱変形することを想定して製造されており、
駆動時に熱変形した際に相手歯車との噛合いが最適とな
るものだから、片当たり等による偏摩耗が有効に抑えら
れる。したがって、本発明に係る歯車は、摩耗特性が良
好となり、耐久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係るプリプレグの切断片を示す平面
図である。

【図２】本実施例に係る製造工程で、プリプレグの切断
片から予備成形体を形成する工程を説明する斜視図であ
る。

【図３】本実施例に係る製造工程で、予備成形体を２つ
重ね合わせた状態を示す斜視図である。

【図４】本実施例に係る製造工程で、予備成形体を金型
にセットした状態を示す断面図である。

【図５】本実施例に係る製造工程で、歯車粗形材を示す
斜視図である。

【図６】摩耗試験の結果を示す図である。

【図７】繊維強化樹脂製歯車の熱膨張による歯スジの狂
いを説明する図である。

【符号の説明】

５は歯車粗形材である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素材の熱膨張率に異方性を有する繊維強化
樹脂製ハスバ歯車であって、歯形緒元のうち少なくとも
捩じれ角は、該素材の熱膨張率の異方性を考慮して歯車
駆動温度にて相手歯車と最適噛合いとなるように設定さ
れていることを特徴とする繊維強化樹脂製ハスバ歯車。
【請求項２】素材の熱膨張率に異方性を有する繊維強化
樹脂製ハスバ歯車の製造方法であって、歯車粗形材を歯
車駆動温度まで昇温させ、その状態で相手歯車と最適噛
合いとなるように歯形加工を施すことを特徴とする繊維
強化樹脂製ハスバ歯車の製造方法。