JPS62101967A - 繊維強化樹脂歯車及びその製造方法 - 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及びその製造方法に関し、詳
しくは歯面の摩耗と歯元の破壊に対する強度に浸れた繊
維強化樹脂歯車及びその製造方法に関するものである。

本発明は平歯車、ハスバ歯車などに有用である。

［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、合成樹脂製歯車のボ
ス外周部などに金属環を埋設したものあるいは炭化珪素
繊維、炭素繊維、有機繊Ｎなどからなる織布に熱硬化性
樹脂からなる結合剤中を含浸させ、交互に積層して硬化
させた複合材料を機械加工によって歯車に加工して形成
されたものも提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 一般に歯車が噛み合い、歯車に負荷が生じると、第９図
に示すように南面にはｌ？ｉｗＩ力（Ａ）、歯元には歯
元形状に沿うような引張り方向の歯元応力（Ｂ）が発生
プる。そしてこの摩擦力および歯元応力により歯面の摩
耗が生じたり、歯先の損傷が生じたりする場合がある。

このような不具合は従来の金属環を埋設したものでは解
決できない。又織布をＶｉ層し、熱硬化性樹脂で硬化さ
せた複合材料を機械加工によって歯車に加工したような
ものでは、歯面に繊維の先端が表出し南面が平滑になら
ないために摩耗し易くなったり、又歯元応力に対して繊
維が垂直に近い角度で配置される場合があるので、歯元
で繊維に沿った亀裂が入り歯こぼれが生じ易いという不
具合があった。

本発明はこのような問題点に鑑みて鋭意検討の結果成さ
れたものであり、歯車に作用する負荷が大きい条件下に
あっても歯面および歯元が損傷せず、耐摩耗性が向上し
た繊維強化樹脂歯車及びその効果的な製造り法を提供す
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の発明の繊維強化樹脂歯車は、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
繊維とから形成され、断面円形の基部と該基部の周表面
に突出した歯部とを有する繊維強化樹脂歯車において、
少なくとも一部の該繊維は、該歯車の１の歯部の歯先か
ら該１の歯部の歯面に沿って該歯車の中心部に伸び、該
基部の所定位置で反転して該１の歯部の少なくとも１個
以上の歯部を間に置いた隣りの他の歯部の歯部に沿って
歯先に向かい、再び歯部に沿って該中心部に伸びる歯先
−中心波形に配置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
に結合したいわゆるＦＲＰである。この強化繊維には、
従来他の分野で用いられているような炭素繊維、炭化珪
素繊維、ガラス繊維、アルミナＶ＆雑などの無機ｍｅｌ
ｔ、あるいはケブラー繊維などの有機ＩＩ雑を用いるこ
とができる。なお本発明で用いられるｉｌＭは連続状で
あり、連続繊維あるいはｙｒＪ繊維を６０００本あるい
は１２００＜）本など集束したストランド状のものを用
いることができる。

、Ｆ２強化繊維を一体的に結合し歯車を形成Ｊる樹脂成
分は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノ
ール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、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑
性樹脂を用いることができる。これらの繊維は単独で用
いてもよく、複数の秤類を混合して用いてハイブリッド
化することもできる。そして上記未硬化樹脂あるいは溶
融樹脂を上記強化Ｉ！雑に含浸し、一体的に成形するこ
とにより！ＩＮ強化樹脂歯車を形成することができる。

本発明の最大の特徴は歯車内の繊維の配置状態にある。

第９図にも示したように、歯車の噛み合い時には南面の
摩際力（Ａ）と歯元応力（Ｂ）が作用する。そしてＦＪ
擦力（Ａ）に対する強度を向上させるには、繊維を歯部
に沿うように配置すればよい。又歯元応力（Ｂ）は一般
に第９図のような方向の引張力として作用するので、こ
の歯元応力に対する強度を向−ヒさせるには、その応力
の作用方向に沿うように繊維を配置するのが望ましい。

ぞこで本発明では第１図のように連＊７ｃｍ帷１を、１
つの歯部２の歯先から歯部に沿って歯車基部４に向かい
、基部４の所定９置で折り返して他の歯部３の歯面に沿
って歯先に向かうように歯先−中心波形に配置フる。こ
のようにすれば繊維は歯先の歯面および歯元の歯面に沿
い、摩擦力に対する強度が著しく向上する。この場合は
繊維が歯元形状にできるだけ沿うように、１つの歯部２
と他の歯部３との間に存在する歯部の数は１ｇ！以上と
される。さらに折り返される基部の所定位置を調節して
、歯元の歯面と歯底面とが交差する角部に繊維が当接す
るようにすることも好ましい。このようにすることによ
り該角部でＩｍは折り曲げられ、歯元応力の作用方向に
一層沿うようになるので歯元応力に対する強度が一層向
上する。又歯車基部の中央部Ｊ：りにもＩＩｉ紺が配置
されるので、歯車全体としての強度が向上する。

なお上記のような繊維の配置と共に、１つの歯部の歯先
から山元へ、更に隣接する次の歯部の歯元から歯先に沿
って伸びる歯先−山元波形に繊維を配置するのが望まし
い。このようにすればＩＩＮは南面および歯底面に沿う
ようになり、歯元応力に対する強度は一層向上する。

ｔａ雑が配置されていない部分には、短繊維を充填した
り、従来同様に金属環などを埋設したりすることもでき
る。このようにすれば歯車全体の強度は更に向上する。

なお、繊維の吊は樹脂の種類、目的とする強度などを考
慮し、試行錯誤的に決められる。

上記した歯車を製造する最も好ましい方法である第２の
発明を以下に説明する。第２の発明の繊維強化樹脂歯巾
の製造方法は、少なくとも歯先の先端部となる位置に第
１ピンが設けられた成形型を用い、該第１ピンに連続し
た強化ａＩ紺を絡ませることにより歯先の歯面および歯
元の歯面となる型面に沿うように該繊維を配置する繊維
配置工程と、該成形型内に液状樹脂を注入し、該樹脂を
硬化させることにより該繊維と該樹脂とを一体的に結合
Ｊる成形工程とよりなることを特徴とする。

一般に連続状の繊維は、型内の所定位置に曲線状に配置
しても、繊維自体の剛性のために、直線状に復元してし
まい、樹脂の硬化造形状を維持することが困難である。

そこで本発明では、成形型の歯先の先端部となる位置に
第１ピンが設けられる。イして繊維配置工程では、代表
的な２つの配置方法が採用される。

その１つの方法は、歯車の基部となる部分に第１ピンと
同心円状に第２ピンを設ける。そして連続状の繊維を第
１ピンと歯部となる成形型の型面との間に配置して第１
ピンに絡ませ、続いて第２ピンに絡ませた後、少なくと
も１個以上の第１ピンを間においた隣りの他の第１ピン
に絡ませる。

このようにして第１ピンと第２ピンとに交互に繊維を絡
ませながら配置することにより、歯先−中心波形にＩＩ
ＩＮを配置することができる。なおこの場合第２ピンの
位置は１Ｘｌｉ１巾中心から歯部に近接した位置とする
のがよい。このようにすれば第２ピンで折り返す繊維の
角度はより鈍角となり、（９られる歯車の歯元面と歯底
面とが交差する角部に繊維が当接して折れ曲る角度はよ
り鋭角となるので歯元形状に一層沿一）ようになり、歯
元応力に対する強度が向上する。又歯車中央部よりにも
繊維が配置されるので全体としての強度が向上する。

又第２ピンは設けず、第１ピンに繊維を絡ませた後歯底
となる成形型凸部に繊維を沿わせ、隣接づる次の第１ピ
ンにＩｍ維を絡まぜる方法で繊維を配置することもでき
る。このようにして第１ピンと該凸部とに交互に絡まμ
°ながらＵ＆帷を配置すれば、得られる歯車では歯先−
歯元波形に繊維が配置された状態となり、歯元応力に対
する強度が向上する。

なお上記２つの方法は、それぞれ単独で行なってもよい
し、両方の方法を併用することもできる。

両方を併用すれば全体としての強度および歯元応力に対
する強度が共に向上し好ましい。

ピンの配設に関しては、歯先部の第１ピンは繊維ができ
るだけ歯面に沿うよう先端に近接して配設することが望
ましい。又基部にある第２ピンの位置はある程度任意で
あり、この第２ピンの位置によって歯元形状に接する繊
維の接触角を調整することができるので、噛み合い時に
発生する歯元応力に対して繊維による補強効果が有効に
働くように配置することが可能である。

繊維配置工程で成形型内にｍ雑が配置されると、硬化前
の液状樹脂あるいは溶融樹脂が型内に注入され、反応あ
るいは冷却により硬化して繊維強化樹脂歯車が得られる
。この成形工程は基本的に従来の樹脂製歯車の成形と同
様に行なうことができる。

［発明の作用および勢果］ 本発明の繊維強化樹脂歯車では、強化ＩＩＭが歯面およ
び歯元形状に略沿うように配置されている。

従って歯車の噛み合い時の歯面の摩擦力、および歯元応
力に対する強度に著しく優れ、歯先の損傷などの不具合
を防止するので耐久性に優れている。

又ＦＲＰであるので従来と同様、耐熱性、静電防止性、
ＩＩ音の発生を押える制振性、無給油性などの優れた性
能を有している。ざらに一般に高価な強化繊維は必要な
部分に必要な配向をもって必要最小限の邑で配置するこ
とができるので、最小限のＩＩ量で最大限の効果を発揮
し、経済的に非常に有利とすることができる。又肉厚の
歯車を成形し、硬化後必要な厚さに切断することにより
、一度の成形で複数個の歯車を生産することもでき、効
率がよい。

［実施例］ 本発明に基き、平歯車（モジコール５、歯数１８、基準
ピッチ円直径９Ｑｍｓ、歯先円直径１００ＩＩＩＳ歯幅
２０ｍ１１精度ＪＩＳＪ級）の成形を実施した。用いた
金型の概略図を第２図〜第４図に示す。金ヤはめす型１
１と下型１２より構成され、めす型１１の内側には成形
する歯車の歯部となる四部１３が機械加工されている。

又めす型１１の外周部には離型用の連通ずるねじ穴１９
が、下面外周部には下型１２と結合するためのねじ穴が
加工されている。

下型１２は基板１４と、基板１４外周部に円形に配置さ
れ、基板１４に圧入された１８本の第１ピン１５と、第
１ピン１５より内方で第１ピン１５と同心円状に配置さ
れて基板１４に圧入された１８本の第２ピン１６と、離
型用のノックアウト板１７．１８とから構成されている
。第１ピン１５はめす型１１の歯部となる凹部１３に入
った位置で環状になるよう配列され、第２ピン１６はノ
ックアウト板１７．１８の間で歯元の位置より中心部よ
りに入ったところで第１ピン１５と同心円状に位置する
ように設…１されている。そしてめす型１１と下型１２
とはボルトで結合され、第４図に示すようなｍ維強化樹
脂歯車用金型となる。

次に長４１１６０００本を集束した炭素繊維ストランド
を１０本束ねた繊維束を引き揃へ、この繊維束に張力を
加えながら前記金型内に連続的に配置していく。この配
置方法は、ａｉｍ束２束合０先の第１ピン１５と、めす
型１１の歯車の歯底となる凹部１３を形成する凸部に絡
ませながら、凹部１３の型面に沿って円周方向に配置し
・ていく方法（第５図）と、歯先の第１ピン１５と中心
部に近い第２ピン１６に交互に絡ませながら、四部１３
の型面に接するように配置していく方法（第６図）とを
交互に行なって配置した。

その後、予め硬化剤を加え、加熱して粘度を下げたエポ
キシ樹脂を上記繊維を配置した金型内に注ぎ、真空脱泡
して強化繊維内に樹脂を含浸させ、その後加熱して硬化
さけた。硬化後下型１２とめす型１１を結合するボルト
を外した。しかしながらこの状態では成形品が下型１２
およびめず型１１に付着しているために成形型の分離が
できないので、１ｉｌＩｔ型用ねじ穴１９にボルトをね
じ込む。すると成形物が下型１２に付着した状態でめづ
型１１から分離される。そして下型１２の裏面からノッ
クアウト板１７．１８を押すと、基板１４および第１ピ
ン１５、第２ピン１６から成形品を離型することができ
た。これにより歯部に沿って繊維が配置し、かつ歯元形
状に沿うように繊維が配置された繊維強化樹脂歯車が得
られた。

本実施例で得られた歯車と、繊維を含まないこと以外は
本実施例の歯巾と同一樹脂を用い、同一形状に形成され
た合成樹脂歯車とを用い、第７図に示すような方法で加
圧試験を行なって歯車の歯先の単位幅当りの耐荷重とそ
のときの変位量を測定した。結果を第８図に示す。

第８図より明らかなように、本発明の繊維強化樹脂歯車
は、繊維を含まない従来の合成！ｉ１ｍ歯車に比較し、
歯先の強度に著しく優れていることが明らかである。又
実施例の繊維強化樹脂歯車について加圧力を増加したと
ころ、歯元に亀裂が生じた。しかしながらこの亀裂は樹
脂が多い部位で発生し、その亀裂は歯面に沿って配置し
た繊維によって伝播が阻止された。従って歯こぼれする
ことなく歯部は原形を保ったまま耐荷重値だけ低下した
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の４ａＩＩｔ１強化樹脂歯車を示す要部
平面図である。第２図〜第４図は実施例で製造した本発
明の繊維強化樹脂歯車を成形する成形型に関し、第２図
はその下型の斜視図、第３図はそのめす型の斜視図、第
４図は下型とめ１型とを結合したところを示す斜視図で
ある。第５図および第６図は実施例で採用したｔａｎの
配置状態を示す要部平面図である。第７図は実施例で得
られた歯車を試験する装置の要部正面図である。第８図
は単位幅当りの耐荷重と撓みとの関係を示すグラフであ
る。第９図は歯車噛み合い時の応力の方向を示す説明図
である。 １・・・繊１１１２．３・・・歯部 ４・・・基部　　　１５・・・第１ピン１６・・・第２
ピン 特許出願人　　株式会社豊田中央研究所同　　　　豊田
紡織株式会社

Claims (6)

【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、断面円形の基部
   と該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、 少なくとも一部の該繊維は、該歯車の１の歯部の歯先か
   ら該１の歯部の歯面に沿つて該歯車の中心部に伸び、該
   基部の所定位置で反転して該１の歯部の少なくとも１個
   以上の歯部を間に置いた隣りの他の歯部の歯面に沿って
   歯先に向かい、再び歯面に沿つて該中心部に伸びる歯先
   −中心波形に配置されていることを特徴とする繊維強化
   樹脂歯車。
2. （２）他の少なくとも一部の繊維は歯車の１の歯部の歯
   先から歯元及びその隣接次の歯部の歯元から歯先に沿っ
   て伸びる歯先−歯元波形に配置されている特許請求の範
   囲第１項記載の繊維強化樹脂歯車。
3. （３）繊維は短繊維を集束したストランド状連続繊維で
   ある特許請求の範囲第１項記載の繊維強化樹脂歯車。
4. （４）少なくとも歯先の先端部となる位置に第１ピンが
   設けられた成形型を用い、 該第１ピンに連続した強化繊維を絡ませることにより歯
   先の歯面および歯元の歯面となる型面に沿うように該繊
   維を配置する繊維配置工程と、該成形型内に液状樹脂を
   注入し、該樹脂を硬化させることにより該繊維と該樹脂
   とを一体的に結合する成形工程とよりなることを特徴と
   する繊維強化樹脂歯車の製造方法。
5. （５）成形型は歯車中心部近傍の位置に第２ピンを具備
   し、繊維配置工程は第１ピンと該第２ピンとに交互に繊
   維を絡ませながら歯先−中心波形に該繊維を配置する特
   許請求の範囲第４項記載の繊維強化樹脂歯車の製造方法
   。
6. （６）繊維配置工程は第１ピンと歯底となる成形型の凸
   部とに交互に繊維を絡ませながら歯先−歯元波型に該繊
   維を配置する特許請求の範囲第４項あるいは第５項記載
   の繊維強化樹脂歯車の製造方法。