JP5023884B2 - 繊維強化樹脂製歯車及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂製歯車及びその製造方法に関する。

従来、繊維強化樹脂製歯車は、噛み合い音が低く、軽量で回転慣性力が小さい等の利点を持つため、種々の分野で使用されている。そして、このような繊維強化樹脂製歯車の一例としては繊維強化樹脂製のリング状素材の外周部を歯切り加工した場合に、噛み合い面にプリプレグを構成する基材の補強繊維が渦巻き状に配向されている繊維強化樹脂歯車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された繊維強化樹脂歯車では、９０°／０°配向の補強繊維を含む第１プリプレグと、±４５°配向の補強繊維を含む第２プリプレグとが用いられ、歯部において最も大きな応力が生じる歯元部には９０°／０°配向の補強繊維と±４５°配向の補強繊維とで強化された複合強化部が形成されている。

また、その他の繊維強化樹脂歯車としては、軟質繊維及び硬質繊維からなる２種類のプリプレグが用いられ、最外周部には加工性の良い軟質繊維が硬質繊維より相対的に多く配設されるとともに、歯元付近には硬質繊維が軟質繊維より相対的に多く配設されて構成されたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−２４０３２４号公報 特開平６−９１７７０号公報

ところが、特許文献１に記載された繊維強化樹脂歯車を模式的に示すと、図５に示すように、歯車３０の中心と直交する断面において、歯部３１を構成する連続繊維からなる複数の繊維層３２が互いに平行な状態でマトリクス樹脂中に配置されている。そして、切削加工で歯部を形成した際に連続する繊維が切断された状態となるとともに、各繊維層３２は二次元状に結合する繊維だけで構成されており各繊維層３２では繊維層の厚さ方向にのびる繊維が存在しないため、剪断方向に対する強度が弱いという問題がある。また、同様に、特許文献２の歯車においても、連続する繊維が切断された状態となるとともに、繊維層は二次元状に結合する繊維だけで構成されており各繊維層では繊維層の厚さ方向にのびる繊維が存在しないため、剪断方向に対する強度が弱いという問題がある。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、切削加工によって歯部を形成した場合であっても、強度的に有利な歯部を有する繊維強化樹脂製歯車及びその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも歯部が、繊維強化樹脂で形成された繊維強化樹脂製歯車において、前記繊維強化樹脂の強化材は、異なる４方向に配列された連続繊維が交差しつつ結合されることで帯状に形成された４軸以上の三次元ブレーディング繊維構造体であり、当該三次元ブレーディング繊維構造体は、その厚さ方向及び幅方向に沿う層構造を有しておらず、前記三次元ブレーディング繊維構造体は螺旋状に巻かれて積層されて環状に形成された状態で前記繊維強化樹脂の強化材として使用されていることを要旨とする。

この発明では、三次元ブレーディング繊維構造体は異なる４方向以上の複数方向に配列された連続繊維から構成されるため、切削されても三次元ブレーディング繊維構造体には連続性が保たれる繊維が複数存在する。したがって、切削加工して歯部を形成した場合であっても、三次元ブレーディング繊維構造体において連続性が保たれている複数の繊維同士は互いに絡み合った状態のままであり、歯部における各繊維同士の三次元状の結合は保たれる。したがって、歯部において三次元ブレーディング繊維構造体を構成する各繊維がバラバラになることは抑制されるため、二次元状に結合する繊維だけで構成された繊維組織を強化材として用いた場合よりも歯部の強度が低下することを抑制できる。

請求項２に記載の発明は、少なくとも歯部が、繊維強化樹脂で形成された繊維強化樹脂製歯車を製造する方法であって、異なる４方向に配列された連続繊維が交差しつつ結合されることで帯状に形成された４軸以上の三次元ブレーディング繊維構造体であってその厚さ方向及び幅方向に沿う層構造を有していない三次元ブレーディング繊維構造体を、成形型のキャビティ内において位置決め突部に対して螺旋状に巻いて積層する工程と、積層された前記三次元ブレーディング繊維構造体を押圧して圧縮し、その状態で前記三次元ブレーディング繊維構造体に樹脂を含浸させて繊維強化樹脂成形体を得る工程と、前記繊維強化樹脂成形体の外周部に切削加工で歯部を形成する工程とを有することを要旨とする。

本発明によれば、切削加工によって歯部を形成した場合であっても、強度的に有利な歯部を得ることができる。

以下、本発明を平歯車に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。図１に示すように、繊維強化樹脂製歯車１１はその中心部に設けられた芯金１２と、芯金１２の外周を囲むようにして芯金１２と一体的に設けられるとともに外周部に複数の歯部１４が形成された繊維強化樹脂部１３とから構成されている。

繊維強化樹脂部１３は、繊維組織が４軸三次元組み紐組織である三次元ブレーディング繊維構造体を強化材として使用している。なお、４軸三次元組み紐組織とは、異なる４方向に配列された各連続繊維が交差しつつ結合されてなる繊維組織のことを意味する。三次元ブレーディング繊維構造体は、繊維強化樹脂部１３の強化材として使用されている状態では環状であるとともに、その外周部分が歯部１４の歯先部１５に対応している。図２に示すように、三次元ブレーディング繊維構造体を構成する一部の連続繊維１６は、繊維強化樹脂製歯車１１の中心軸Ｐを直交する平面に対して交差し、なおかつ歯部１４の歯先部１５から歯元部１７を経由して繊維強化樹脂部１３の内周側に向かって連続してのびている。なお、図２では、図面の都合上、三次元ブレーディング繊維構造体を構成する連続繊維のうち一本のみ代表して図示している。そして、強化材としての三次元ブレーディング繊維構造体は、帯状の三次元ブレーディング繊維構造体１８（図３参照）が螺旋状に巻かれて積層されることで構成されている。なお、「螺旋状に巻かれて積層される」とは、帯状の三次元ブレーディング繊維構造体が同一平面で巻かれて積層方向が歯丈方向と平行になるものでなく、帯状の三次元ブレーディング繊維構造体が歯車の中心軸Ｐ方向に沿うように積層され、環状に形成された三次元ブレーディング繊維構造体の積層方向が歯部の歯丈方向と直交する方向になるものを意味する。

図３に示すように、三次元ブレーディング繊維構造体１８は、その長手方向に対して所定の配向角をなすように配列された多数の連続繊維１６によって構成されている。具体的には、三次元ブレーディング繊維構造体１８は、異なる４方向に配列された各連続繊維１６が交差しつつ結合されることで構成されるとともに、厚さ方向に平行な平面及び幅方向に平行な平面で明確に分けられる層が存在しない構造となっている。また、三次元ブレーディング繊維構造体１８は、その幅Ｔが歯部１４の歯丈Ｄ（図２参照）よりも大きくなるように形成されている。三次元ブレーディング繊維構造体１８は、例えば特開平２−２５９１４８号公報、特開平２−３０７９４９号公報に開示されている三次元ブレーダ（ロータ・キャリア方式三次元織物織機）により複数の連続繊維が編成されることで形成されている。なお、三次元ブレーダは、キャリア軌道面に沿って多数行、多数列に配列された図示しないキャリア駆動ユニットを備え、該駆動ユニットにより、ボビンを支承する図示しない糸状キャリアに所要の軌跡を走行するように運動を与え、それらのボビンから解除した繊維を編成するものである。

ここで、三次元ブレーディング繊維構造体１８を構成する連続繊維は、繊維強化樹脂製歯車１１に要求される物性によって選択されるが、高強度が要求される場合は、例えば、アラミド繊維、炭素繊維等が使用される。繊維強化樹脂部１３のマトリクス樹脂としてはモノマーキャストナイロン樹脂が使用されている。また、三次元ブレーディング繊維構造体１８を構成する各連続繊維１６の配向角は、繊維強化樹脂製歯車１１に要求される物性によって選択される。

次に繊維強化樹脂製歯車１１の製造方法を説明する。
まず、例えば特開平２−２５９１４８号公報、特開平２−３０７９４９号公報に開示されている三次元ブレーダ（ロータ・キャリア方式三次元織物織機）により、連続繊維１６を編成する工程を実施する。この工程では、三次元ブレーダによって複数の連続繊維１６を編成することで、帯状で、なおかつ、長さ方向と直交する方向の断面が矩形状である三次元ブレーディング繊維構造体１８を形成する。そして、三次元ブレーディング繊維構造体１８が、目的とする長さにまでなると、連続繊維１６の編成を終了し、その後、図示しない製紐部（キャリア）と三次元ブレーディング繊維構造体１８の組み上げ点との間に存在する連続繊維１６を図示しない切断装置によって切断する。すると、図３に示すように、長尺で帯状の三次元ブレーディング繊維構造体１８を得る。なお、目的とする三次元ブレーディング繊維構造体１８の長さとは、繊維強化樹脂製歯車１１の外周より長く、なおかつ、三次元ブレーディング繊維構造体１８を螺旋状に巻いて環状に構成した場合に、環状の三次元ブレーディング繊維構造体１８の厚みが繊維強化樹脂製歯車１１の厚みと同じになるような長さのことを意味する。また、帯状の三次元ブレーディング繊維構造体１８はその幅Ｔが歯部１４の歯丈Ｄ（図２参照）より大きくなるように形成されている。

次に、三次元ブレーディング繊維構造体１８への樹脂の含浸作業を行う。樹脂の含浸には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法を採用する。ＲＴＭ法では、図示しないキャビティに芯金１２と同じ断面形状の位置決め突部が形成されている図示しない成形型を用いる。そして、キャビティ内において、図４（ａ）に示すように、帯状の三次元ブレーディング繊維構造体１８を位置決め突部に対して螺旋状に巻くように変形させる。そして、螺旋状に巻いた三次元ブレーディング繊維構造体１８を複数層に積層すると、図４（ｂ）に示すように、三次元ブレーディング繊維構造体１８は円環状の状態になる。ここで、繊維強化樹脂製歯車１１のリング幅Ｓ（図１のみに図示）は、三次元ブレーディング繊維構造体１８の幅Ｔに左右され、繊維強化樹脂製歯車１１の厚さは長尺の三次元ブレーディング繊維構造体１８を積層して環状に形成した後の三次元ブレーディング繊維構造体１８の厚さＨによって決まる。その後、上型を下降させてキャビティ内に配置された三次元ブレーディング繊維構造体１８を押圧し圧縮した状態で、図示しない注入孔からキャビティ内へポリアミド（ナイロン）のモノマーを注入して三次元ブレーディング繊維構造体１８に含浸させるとともに加熱して重合させた後、成形金型を冷却することにより円環状の繊維強化樹脂成形体を得る。なお、ポリアミドのモノマーとしては、例えば、ε−カプロラクタムが使用される。

このようにして製作された繊維強化樹脂成形体は繊維強化樹脂製歯車１１と同じ厚さを有し、この繊維強化樹脂成形体の中央部に芯金１２を加熱圧入することで芯金１２を中央部に有する歯車用成形体を形成する。そして、この歯車用成形体の外周部に切削加工で平歯車の歯部１４を形成することにより繊維強化樹脂製歯車１１が形成される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）繊維強化樹脂製歯車１１は、外周部に歯部１４が形成された繊維強化樹脂部１３を備えている。そして、繊維強化樹脂部１３は、環状の三次元ブレーディング繊維構造体１８を強化材として使用している。そして、切削加工して歯部１４を形成した場合であっても、三次元ブレーディング繊維構造体１８には連続性が保たれる繊維１６が複数存在し、連続性が保たれている複数の繊維１６同士は互いに絡み合った状態のままであるため、歯部１４における各繊維１６同士の三次元状の結合は保たれる。したがって、歯部１４において三次元ブレーディング繊維構造体１８を構成する各連続繊維１６がバラバラになることを抑制できるため歯部１４の強度低下、とくに剪断力に対する強度低下を抑制することができる。

（２）三次元ブレーディング繊維構造体１８を構成する一部の連続繊維１６は、歯部１４の歯先部１５から歯元部１７を経由して繊維強化樹脂部１３の内周側に向かってのびている。したがって、繊維強化樹脂部１３を切削加工して歯部１４を形成することで、繊維強化樹脂製歯車１１の周方向に相当する角度に配列されている連続繊維１６が切断されても、三次元ブレーディング繊維構造体１８を構成する一部の連続繊維１６は、連続した状態のままで残る。そのため、歯部１４の強度が低下することを抑制できる。

（３）帯状の三次元ブレーディング繊維構造体１８は螺旋状に巻かれて積層されることで環状に形成され、その状態で繊維強化樹脂部１３の強化材として使用されている。そして、三次元ブレーディング繊維構造体１８の幅Ｔは歯部１４の歯丈Ｄより大きいため、三次元ブレーディング繊維構造体１８は歯部１４全体に亘って存在することになり、強化材としての三次元ブレーディング繊維構造体１８を歯部１４の歯元部１７にまで配置することができる。したがって、歯部１４において大きな応力が生じやすい歯元部１７の強度を向上させることができる。

（４）繊維強化樹脂部１３は螺旋状に巻かれて積層されることで環状に形成された三次元ブレーディング繊維構造体１８を強化材として使用している。したがって、歯部１４では、歯部１４の歯丈方向における繊維層間の継ぎ目は存在しないため、歯部１４の剪断力に対する強度を向上させることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 三次元ブレーディング繊維構造体の構造についてはとくに限定されない。例えば、三次元ブレーディング繊維構造体を構成する連続繊維が全て三次元ブレーディング繊維構造体の各表面で折り返す構造にしてもよいし、三次元ブレーディング繊維構造体の長さ方向に沿って配列された連続繊維を含む構造にしてもよい。

○ 三次元ブレーダを用いて形成する帯状の三次元ブレーディング繊維構造体の長さについては、少なくとも一個分の繊維強化樹脂成形体を得ることができる長さであれば、とくに限定されない。例えば、環状に形成した状態における三次元ブレーディング繊維構造体の厚みが繊維強化樹脂製歯車１１の厚みの複数倍となるような長さの三次元ブレーディング繊維構造体をまとめて形成する。そして、その三次元ブレーディング繊維構造体を、環状に形成した状態における厚みが繊維強化樹脂製歯車１１の厚みと同じになる長さで切断して用いてもよい。この場合も、連続繊維が互いに絡み合う構造が保たれるため、切り出された歯車それぞれが同様の効果を有する。

○ 環状に形成された三次元ブレーディング繊維構造体の積層方向は、歯部の歯丈方向に対して交差する方向であってもよい。この場合、環状に形成された三次元ブレーディング繊維構造体における層の幅の少なくとも歯丈方向成分が歯部の歯丈以上となるように予め見越して、帯状の三次元繊維構造体の幅を設定するとよい。ただし、三次元ブレーディング繊維構造体の積層方向を歯部の歯丈方向に対して交差する方向とする場合、歯部の歯丈方向に対する積層方向の交差角度は４５度以上９０度未満となるように設定する。

○ 三次元ブレーディング繊維構造体を４軸三次元組み紐組織に構成する代わりに、例えば、５軸三次元組み紐組織となるように構成してもよいし、６軸以上の三次元組み紐組織に構成してもよい。

○ 三次元ブレーディング繊維構造体を構成する連続繊維は、アラミド繊維や炭素繊維に限らず、要求物性によってはポリエステル繊維や無機繊維であるガラス繊維を使用してもよい。そして、連続繊維としてガラス繊維を使用した場合、アラミド繊維や炭素繊維に比べて太さが大きいため、同じ目の粗さで三次元組み紐として組織された場合に繊維同士の間に存在する隙間が大きくなる。したがって、ガラス繊維からなる三次元ブレーディング繊維構造体は、樹脂の含浸性が良好になる。また、三次元ブレーディング繊維構造体を構成する連続繊維としてガラス繊維を用いる場合には、樹脂を含浸させる前にシランカップリング剤を用いて前処理を行うとよい。また、連続繊維としてガラス繊維を用いれば、アラミド繊維や炭素繊維に比べて経済的に有利である。その他に、三次元ブレーディング繊維構造体を構成する連続繊維として、超高分子量ポリエチレン繊維やポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）等の高強度繊維を使用してもよい。

○ 単一の材質の連続繊維のみで三次元ブレーディング繊維構造体を組織する代わりに、異種繊維からなる連続繊維を組み合わせて構成してもよい。例えば、ガラス繊維からなる連続繊維と有機繊維からなる連続繊維を組み合わせて構成してもよい。

○ 太さが同じ連続繊維のみで三次元ブレーディング繊維構造体を構成する代わりに、太さの異なる連続繊維を組み合わせて三次元ブレーディング繊維構造体を構成してもよい。

○ 帯状の三次元ブレーディング繊維構造体から環状の三次元ブレーディング繊維構造体を形成する作業と、三次元ブレーディング繊維構造体に樹脂を含浸させる作業との間に、環状の三次元ブレーディング繊維構造体を焼き固める作業を加えてもよい。この場合、例えば、成形型の外部で、帯状の三次元ブレーディング繊維構造体を螺旋状に巻いて変形させつつ積層状態にして環状の三次元ブレーディング繊維構造体とした後、三次元ブレーディング繊維構造体を炉の中に配置して焼き固め三次元ブレーディング繊維構造体の形状を環状に保持させたうえで、炉から取り出し成形型内に配置する。このように構成すれば、三次元ブレーディング繊維構造体の形状がくずれてしまうことを抑制できる。

○ ＲＴＭ法によって繊維強化樹脂成形体を成形する代わりに、遠心成形によって繊維強化樹脂成形体を成形してもよい。この場合、例えば、分割可能なマンドレルの外面に螺旋状に帯状の三次元ブレーディング繊維構造体を巻き付けて円筒状の三次元ブレーディング繊維構造体としたものを手で保持しつつ、蓋を開放した状態で成形型内に配置する。次に、マンドレルを分割して取り外し、その後、蓋を閉じて成形型を密閉状態とするとともに蓋で三次元ブレーディング繊維構造体を押圧して圧縮することで形状を保持する。そして、遠心成形法によって三次元ブレーディング繊維構造体に樹脂を含浸させて繊維強化樹脂成形体を成形した後、成形型から取り出して、円筒状の繊維強化樹脂筒状体を繊維強化樹脂製歯車と同じ厚みに切断すれば、円環状の繊維強化樹脂成形体を得ることができる。

○ 三次元ブレーディング繊維構造体を螺旋状に巻いて積層することで環状の三次元ブレーディング繊維構造体を構成する代わりに、三次元ブレーダによって平板状の三次元ブレーディング繊維構造体を形成し、平板状の三次元ブレーディング繊維構造体を変形させて環状の三次元ブレーディング繊維構造体を構成してもよい。この場合、例えば、一辺の長さが繊維強化樹脂製歯車の厚みと等しい平板状の三次元ブレーディング繊維構造体を形成し、この平板状のブレーディング繊維構造体を芯材に対して巻き付ける。そして、繊維強化樹脂製歯車のリング幅と同じリング幅を有する環状の三次元ブレーディング繊維構造体を構成して、繊維強化樹脂部の強化材として用いる。また、環状そのままの形をブレーディングすることで環状の三次元ブレーディング繊維構造体を形成し、そのまま、繊維強化樹脂部の強化材として用いてもよい。

○ 繊維強化樹脂部に用いるマトリクス樹脂はモノマーキャストナイロン樹脂に限らず、他の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂であってもよい。熱可塑性樹脂としてはポリアミド以外の他のエンジニアリングプラスチックであるポリカーボネートやポブチレンテレフタレートやポリアセタール等を使用してもよい。また、熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やビニールエステル系樹脂が使用される。ポリマー状態の熱可塑性樹脂を三次元ブレーディング繊維構造体に含浸させる場合は、成形体をマトリクス樹脂の溶融温度より高温に加熱した状態で溶融状態の熱可塑性樹脂を加圧状態で注入する。

○ 繊維強化樹脂製歯車は芯金１２と繊維強化樹脂部１３との間に樹脂部を設けた構成にしてもよい。また、芯金１２を設けずに、繊維強化樹脂製歯車全体を繊維強化樹脂のみで構成してもよい。

○ 円環状の繊維強化樹脂成形体を切削加工して歯部を形成する代わりに、円環状の繊維強化樹脂成形体をプレス成形して歯部を形成してもよい。
○ 本発明の繊維強化樹脂製歯車を平歯車に適用する代わりに、例えば、遊星歯車、はすば歯車、ウォームホイールに適用してもよい。

本実施形態における繊維強化樹脂製歯車の模式平面図。 本実施形態における繊維強化樹脂製歯車の部分模式斜視図。 三次元ブレーディング繊維構造体を示す部分模式斜視図。 （ａ）は三次元ブレーディング繊維構造体を螺旋状に変形させた状態を示す模式図、（ｂ）は環状に形成された三次元ブレーディング繊維構造体を示す模式斜視図。 従来技術の繊維強化樹脂歯車の模式側面図。

符号の説明

Ｄ…歯部の歯丈、Ｔ…三次元ブレーディング繊維構造体の幅、１１…繊維強化樹脂製歯車、１３…繊維強化樹脂部、１４…歯部、１８…三次元ブレーディング繊維構造体。

Claims (2)

1. 少なくとも歯部が、繊維強化樹脂で形成された繊維強化樹脂製歯車において、
   前記繊維強化樹脂の強化材は、異なる４方向に配列された連続繊維が交差しつつ結合されることで帯状に形成された４軸以上の三次元ブレーディング繊維構造体であり、当該三次元ブレーディング繊維構造体は、その厚さ方向及び幅方向に沿う層構造を有しておらず、
   前記三次元ブレーディング繊維構造体は螺旋状に巻かれて積層されて環状に形成された状態で前記繊維強化樹脂の強化材として使用されていることを特徴とする繊維強化樹脂製歯車。
2. 少なくとも歯部が、繊維強化樹脂で形成された繊維強化樹脂製歯車を製造する方法であって、
   異なる４方向に配列された連続繊維が交差しつつ結合されることで帯状に形成された４軸以上の三次元ブレーディング繊維構造体であってその厚さ方向及び幅方向に沿う層構造を有していない三次元ブレーディング繊維構造体を、成形型のキャビティ内において位置決め突部に対して螺旋状に巻いて積層する工程と、
   積層された前記三次元ブレーディング繊維構造体を押圧して圧縮し、その状態で前記三次元ブレーディング繊維構造体に樹脂を含浸させて繊維強化樹脂成形体を得る工程と、
   前記繊維強化樹脂成形体の外周部に切削加工で歯部を形成する工程と
   を有する繊維強化樹脂製歯車の製造方法。

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