JPS63158354A - 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
しくは南面の摩耗、歯元の破壊などに対する強度に優れ
たｍ帷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ｇＡ￥Ｊ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ＩＩ帷、有機繊維などからなる織布に熱
硬化性樹脂からなる結合剤を含浸させ、交互に１ｉ！Ｉ
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８図
に示すように歯面には摩擦力（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）が発生する。

そしてこのＦＪ擦力および歯元応力により歯部の摩耗が
生じたり、歯元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ｊＩ環を埋設したものでは解決
できない。又織布を８！１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、南面にｍｌ１ｉの先端が表出し歯部が平滑に
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＃Ａ息検討の結果成
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￥！Ｊ遣方法を
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の発明の繊維強化樹脂歯車は、樹脂部と、
樹脂部内に配置され樹脂部と一体的に結合した連続強化
繊維とから形成され、断面円形の縫部と髄部の周表面に
突出した歯部とを有する繊維強化樹脂歯車において、！
ｌ維は、歯車の１の歯部の歯先か６１の歯部の歯面に沿
って歯車の歯元に伸び、歯底で反転して隣接法の歯部の
歯元から南面に沿って伸び歯先で反転して再び歯面に沿
って歯元に伸びる波形帯状のリング成形体として歯面に
沿って配置し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、アルミナ繊維などの無機繊維、あるい
はケブラーｍ維などの有機ｌｌ維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、複数の種類を混
合して用いてハイブリッド化することもできる。

上記ｍ維を一体的に結合し歯車を形成する樹脂成分は、
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹
脂、ポリイミド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。そしてこの未硬化
樹脂あるいは溶融樹脂を上記繊維とともに一体的に成形
することにより￥ａ維強化樹脂＠串を形成することがで
きる。

本発明の最大の特徴Ｇ、を両市内の繊維の配置状態にあ
る。第８図にも示したように、歯車の噛み合い時には南
面の摩擦力（Ａ）と歯元応力ＣＢ）が作用する。そして
摩ｉ力（Ａ＞に対する強度を向上させるには、繊維を南
面に沿うように配置すればよい。又歯元応力（Ｂ）は一
般に第８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上させるには、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。

そこで本発明では、繊維を、歯車の１の山部の歯先から
１の歯部の歯部に沿って歯車の歯元に伸び、歯底で反転
してその隣接法の歯部の歯元から南面に泊って伸び歯先
で反転して再び歯部に沿って歯元に伸びる波形帯状のリ
ング成形体として樹脂部に埋Ａシするようにしたもので
ある。このようにすれば繊維は歯先の歯面に沿い、摩擦
力に対する強度が著しく向、ヒする。

また１Ｍ維は歯面および歯底面に沿うように配置してい
るため、歯元応力に対する強度が一層向上する。

繊維は波形帯状のリング成形体として歯部に沿って配置
されて４３す、歯車中心部の樹脂あるいはＩＩを充填し
た樹脂と化学的に結合している。このリング成形体は繊
維のみを加圧、加熱などの方法で成形したものを用いる
こともできるが、繊維を少量の樹脂で結合した連続状の
予備成形体から形成されたものを用いることが好ましい
。このようにすれば後述するように容易に波形帯状とす
ることができ、かつリング成形体の形状保持が容易であ
り歯面に沿っての配置を確実に行なうことができる。

なおリング成形体を構成するｍ維は長繊維である。長繊
維で強化されたリング成形体は引張り強度に優れ、歯車
の強度が一層向上する。また、繊維の社は樹脂部の樹脂
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。

繊維が配置されていない部分には、類４１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剛性、強度は更に向上
する。

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
発明の繊維強化樹脂歯車の製造方法を以下に説明する。

この繊維強化樹脂歯車の製造方法は、同一円周上に間隔
を隔てて並んだ複数の第１−ピンと、隣接する２本の第
１ピンの間に位置するように第１ピンよりも径方向内方
で同一円周上に間隔を隔てて並んだ複数の第２ピンとを
有する固定部材を用い、固定部材の第１ピンおよび第２
ピンに交互に繊維が樹脂で結合され連続した予備成形体
を絡ませて波形帯状の略歯部形状に保持する繊維配置工
程と、固定部材に保持された予備成形体を加熱し予備成
形体の形状を固定して波形帯状のリング成形体とする加
熱工程と、リング成形体と固定部材とを分離する分離工
程と、リング成形体を歯車成形用めす型内の歯型部分に
配置し、めす型内に液状樹脂を注入し液状樹脂を硬化さ
せることによりリング成形体と液状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。

繊維配置工程では、予備成形体を固定部材の第１ピンと
第２ピンとに交互に絡ませながら配置する。ここで予備
成形体には例えばＳ　Ｍ　Ｃ（ｓｈｅｅｔｍｏｌｄｉｎ
ｇ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ）など繊維が樹脂で結合されたも
のが用いられ、その形状は糸状、紐状、テープ状などの
巻きつけやすい連続形状である。また予備成形体を構成
する樹脂には熱硬化性樹脂が用いられる。なお、その樹
脂は、リング成形体と歯車全体を構成する樹脂部との一
体性を向上させるために、樹脂部の樹脂と同一の樹脂を
用いることが好ましい。また予備成形体を構成する繊維
は長繊維である。長４１帷は引張り強度に優れ歯車の強
度が一層向上する。また、リング成形体の繊維の吊は樹
脂部の樹脂の種類、目的とづ゛る強度などを考慮し、試
行錯誤的に決められる。

固定部材の第１ピンと第２ピンとは、第２ピンが内側に
位置した同心円状に並んでいる。そして第２ピンは隣接
する第１ピンの中間に位置している。第１ピンは製造す
べき歯車の歯先に相当する位置にあり、歯数と同数個設
けられている。そして繊維配置工程で第１ピンと第２ピ
ンとに交互に予備成形体が絡めつけられ、波形帯状のリ
ング状に保持される。ここで第２ピンの位置は歯元相当
の位置、あるいはその位置よりも中央寄りの位置に配置
される。歯元相当の位置であれば波形の振幅は小さくな
り、それより内方であれば振幅が大きくなる。又第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。さらに各ピンの長さが長いものを用い、その
長さ方向全体に予備成形体を絡めつければ、幅の広いリ
ング成形体が得られ、肉厚の歯車を製造することができ
る。

予備成形体はそれ自体では形状保持性に劣る。

そこで加熱工程で固定部材とともにリング状に保持され
た予備成形体を加熱することにより、予備成形体の樹脂
成分を硬化させて形状が保持されたリング成形体とする
。ここで予備成形体の加熱は、予備成形体中の樹脂の硬
化が不完全となり、かつ冷却後形状が保持される範囲で
行ない、ただちに冷却することが望ましい。このように
すれば成形工程で液状樹脂とリング成形体とが同時に硬
化し、リング成形体と樹脂部との接合強度に一層優れる
ようになる。

そして分離工程でリング成形体と固定部材とが分離され
る。リング成形体は少なくとも僅かに硬化しているため
、固定部材より分離されても波形帯状の形状を保持して
いる。

成形工程では、リング成形体の外周の凸部が歯車成形用
めす型の歯型凹部部分に係合した状態に配置される。そ
して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。ここで用いられる樹脂には従来と同様の各
種熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができる。

また予備成形体を構成する樹脂と同一の樹脂を用いれば
、リング成形体と樹脂部との一体性が向上する。さらに
硬化が不完全なリング成形体が配置されていれば、樹脂
部の硬化とリング成形体の硬化とが同時に生じ、リング
成形体と樹脂部との一体性が一層向上する。なお、リン
グ成形体の他に種々の形状の繊維の成形体、あるいは金
属環などをめす型内に配置したり、また樹脂に短繊維を
混合しておくことも好ましい。このようにすれば歯巾の
機械的強疾が一層向上する。

〔発明の作用および効果］ 本発明の繊維強化樹脂歯車では、強化繊維が歯面および
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、
騒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。

また本発明の製造方法によれば、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量で配
置することができるので、最小限の繊ｔ４邑で最大限の
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、一度の成形工程で複数個の歯車を生産する
こともでき、効率がよい。さらにリング成形体を成形型
内に配置するだけでよいので、ＴＩＩＪ造が極めて容易
である。

［実施例］ 本発明に基き、平歯車（モジュール５、歯数１８、基準
ピッチ円直径９０ＩＩＩＩＩ１１歯先円直径１００ｍａ
ｎ、歯幅２０ｍｍ、精度ＪＩＳ４級）の成形を実施した
。

（１）繊維配置工程 第２図に本実施例で用いた固定部材を示す。この固定部
材１は、円板状の基板１ｏと、基板１０に突設され、同
一円周上に間隔を隔てて並んだ１８本の第１ピン１１と
、隣接する２木の第１ピン１１の間に位置するように第
１ピン１１よりも径方向内方で同一円周上に間隔を隔て
て並んだ１８本の第２ピン１２とを有する。この第１ピ
ン１１および第２ピン１２は、モジュール５、歯数１８
の平歯車の歯先、歯元位置にそれぞれ設定されている。

次に連続な炭素繊維に不飽和ポリエステル樹脂が５０重
量％含浸されて形成されたテープ状の一方向Ｓ　Ｍ　Ｃ
（５ｈｅｅｔ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ）　
２を用い、このＳＭＣ２を第３図に示すように固定部材
１の第１ピン１１と第２ピン１２に交互に絡めつけて波
形帯状に配置する。

（２）加熱工程 上記ＳＭＣ２が絡めつけられた固定部材１を１００℃に
て１０分間加熱し、その後、冷凍庫内で８激に冷却して
歯型形状を付与する。

（３）分離工程 室温でＳＭＣ２と固定部材１とを分離し、第４図に示す
波型帯状に形状が保持されたリング成形体３を得た。

＜４＞成形工程 得られたリング成形体３を第５図に示すめす型４の内周
部の歯型部分４１に配置する。次に炭素繊維束が１イン
チの長さで切断され、それがランダムに分散したマット
に不飽和ポリエステル樹脂が含浸した短ｍ雑系ＳＭＣを
所定の大きさに切断後所定量を計量して、めす型４の中
心部４２に配置し、その後おす型をはめ合せて、加熱（
１５０〜１２０℃）加圧（２００〜５０ｋｇ／Ｃ１）す
る。この加熱加圧の際に短編１’ＩｓＭｃは遠心方向に
流動し、リング成形体３をめす型の南面に強く押しあて
る様にして金型全体に充填される。またその力によりリ
ング成形体３はめす型の南面に沿うように変形する。そ
れと同時にリング成形体に用いた一方向ＳＭＣと短繊維
ＳＭＣとは硬化を開始し、所定時間経過すると硬化が完
了する。

硬化後脱型して得られた歯車は、第１図に示すように歯
面および歯元に沿うリング成形体３をもち、歯車の大部
分を構成する樹脂部５と一体的に結合していた。

（比較例） また性能比較のために次の２種の歯車を試作した。比較
例１は実施例１で一方向ＳＭＣから成るリング成形体３
を使用せず、金型１に類４ＡＩＨ系ＳＭＣのみを配置し
て加熱、加圧成形した歯車である。従って得られた歯車
は、歯面に沿って長繊維が配置しておらず、南面には、
長さ１インチの繊維束がランダムに分析している。

比較例２は、ナイロン６からなる成形板から実施例と同
じ平歯車の仕様となる様、機械加工して得た歯車である
。

（評価） 第６図に示す治具にて歯車の相対的な剛性及び強度を求
め、第７図にその結果を示した。実施例及び比較例１は
繊維強化であるため、従来のナイロンψ体の歯車である
比較例２に比較して剛性及び強度とも大幅に向上してい
る。そして、本発明である実施例１は連続ａ雑が歯面に
沿って配置されているため、比較例１に比して強度及び
剛性が更に向上していることを確認した。

また動力循環式歯巾疲労試験機にて各歯車の耐久性を比
較した。結果を第９図に示す。比較例１及び比較例２は
、歯車の回転による歯面の摩耗及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に伴って急
激に低下するが、歯面に連続ａｔ雑がｌＳｉ！置した本
発明の実施例では歯面の１↑耗がほとんどなく、また温
度上界による剛性低下もほとんどなく、従って伝達トル
クがほとんど変化しないことを確認した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の繊維強化樹脂歯車を示す要部平面図で
ある。第２図〜第５図は本発明の一実施例の繊維強化樹
脂歯車の製造方法に関し、第２図は固定部材の斜視図、
第３図はその固定部材にＳＭＣ（予備成形体）を絡めて
いる状態を示す斜視図、第４図はリング成形体の平面図
、第５図はめす型の斜視図である。第６図は実施例およ
び比較例で用いた歯車を試験する装置の及部正面図であ
る。第７図は単位幅当りの耐荷重とたわみ量との関係を
示すグラフである。第８図は歯巾噛み合い「、テの応力
の方向を示づ説明図である。第９図は時間とトルク変動
の関係を示すグラフである。

Claims (4)

【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
   的に結合した連続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、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歯元に伸
   び、歯底で反転して隣接次の歯部の歯元から歯面に沿っ
   て伸び歯先で反転して再び歯面に沿って歯元に伸びる歯
   形形状と略同形の波形帯状のリング成形体として該樹脂
   部に埋設されていることを特徴とする繊維強化樹脂歯車
   。
2. （２）同一円周上に間隔を隔てて並んだ複数の第１ピン
   と、隣接する２本の該第１ピンの間に位置するように該
   第１ピンよりも径方向内方で同一円周上に間隔を隔てて
   並んだ複数の第２ピンとを有する固定部材を用い、該固
   定部材の該第１ピンおよび該第２ピンに交互に繊維が樹
   脂で結合され連続した予備成形体を絡ませて波形帯状の
   略歯部形状に保持する繊維配置工程と、 該固定部材に保持された該予備成形体を加熱し該予備成
   形体の形状を固定して波形帯状のリング成形体とする加
   熱工程と、 該リング成形体と該固定部材とを分離する分離工程と、 該リング成形体を歯車成形用めす型内に配置し、該めす
   型内に液状樹脂を注入し該液状樹脂を硬化させることに
   より該リング成形体と該液状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。
3. （３）加熱工程は予備成形体中の樹脂の硬化が不完全な
   範囲で行ない、ただちに冷却す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。
4. （４）液状樹脂には繊維が充填されている特許請求の範
   囲第２項記載の繊維強化樹脂歯車の製造方法。