WO2019138608A1 - 歯車および歯車の製造方法 - Google Patents

歯車および歯車の製造方法 Download PDF

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筑後 了治
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住友重機械工業株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29DPRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D15/00Producing gear wheels or similar articles with grooves or projections, e.g. control knobs
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16HGEARING
    • F16H55/00Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02Toothed members; Worms
    • F16H55/06Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties

Definitions

  • the present invention relates to a gear and a method of manufacturing the gear.
  • Resin gears are lighter than metal gears, but have lower strength than metal gears.
  • a technique has been proposed in which the resin gear is surrounded by some material to increase the strength (e.g., Patent Document 1).
  • the gear described in Patent Document 1 has poor bondability between a resin and a preform surrounding the resin. The same problem may occur in the case of the gear main body made of resin and the metal material disposed on the tooth surface of the gear main body.
  • the present invention has been made in view of these circumstances, and an object thereof is to provide a gear having a relatively high bondability between a gear main body made of resin and a metal material disposed on a tooth surface of the gear main body. It is.
  • a gear according to an aspect of the present invention includes a gear main body made of resin, and a metal material disposed on a tooth surface of the gear main body.
  • the metal material has a through hole, and the resin of the gear main body comes out of the through hole to the outside of the metal material.
  • Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a gear.
  • the method includes the steps of disposing a metal material in a mold and molding the resin in the mold to integrate the resin and the metal material.
  • FIG. 1 is a front view showing a gear 100 according to the embodiment.
  • the gear 100 comprises a gear body 10 and a plurality of thin metal members 20.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the metal material 20. As shown in FIG. FIG. 2 shows the metal material 20 before it is combined with the gear body 10.
  • the gear main body 10 is made of resin.
  • the gear main body 10 may be formed of a reinforced resin such as a carbon fiber reinforced resin or a glass fiber reinforced resin, but is not limited thereto, and various resins can be applied.
  • the metal material 20 is preferably not circumferentially integral but is circumferentially divided. In the illustrated example, the metal material 20 is divided into the number of teeth, that is, one metal material 20 is provided on one tooth. Although iron (including steel) and aluminum can be applied as the material of the metal material 20, the present invention is not limited thereto, and various metals can be applied.
  • Each metal material 20 includes a first plate member 21 that constitutes a part of the tooth surface on one side in the circumferential direction of the teeth (a portion near the pitch circle that is in contact with the other gear) and the tooth surface on the other side of the tooth in the circumferential direction
  • a second plate member 22 constituting a part (a portion in the vicinity of a pitch circle which is in contact with a gear of the other party) and a connecting portion 23 connecting the first plate member and the second plate member.
  • the teeth 11 of the gear main body 10 are provided so as to sandwich the connecting portion 23 from the inner side and the outer side in the radial direction. That is, the connecting portion (embedded portion) 23 is embedded in the tooth 11 of the gear main body 10, and the tip end portion 11a of the tooth 11 constitutes the tooth tip of the gear 100.
  • the tip end portion 11 a and the root portion 11 b of the tooth 11 are connected through the through hole 23 a formed in the connecting portion 23.
  • the resin of the gear main body 10 comes out of the through hole 23 a to the outside of the metal material 20 at a portion not in contact with the opposite gear, that is, at the tooth tip.
  • 3 to 6 are process diagrams showing a method of manufacturing the gear 100.
  • 3 (a), 4 (a), 5 (a) and 6 (a) are plan views.
  • 3 (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 3 (a)
  • FIG. 4 (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 4 (a)
  • FIG. 6 (b) is a sectional view taken along line AA of FIG. 6 (a).
  • FIGS. 3A and 3B show the state of the first preparation step.
  • a recess 202a corresponding to the shape of the gear 100 is formed.
  • the metal material 20 is disposed in a portion of the recess 202 a corresponding to the teeth of the gear 100.
  • FIGS. 4A and 4B show the state of the second preparation step.
  • the second preparation step first, the lower mold 202 and the upper mold 204 are mold-aligned. Thus, a molding space 210 corresponding to the shape of the gear 100 is formed between the lower mold 202 and the upper mold 204.
  • the lower mold 202 and the upper mold 204 are heated to the curing temperature of the resin.
  • FIGS. 5A and 5B show the state of the third preparation step.
  • the molding material 8 is disposed in the mold from the through holes 204 a formed in the upper mold 204.
  • the molding material 8 is a thermosetting sheet molding compound (SMC) which is an uncured thermosetting resin sheet reinforced with fibers.
  • SMC thermosetting sheet molding compound
  • FIGS. 6 (a) and 6 (b) show the state of the molding process.
  • the male mold 206 having a shape corresponding to the through hole 204 a of the upper mold 204 in a plan view is pressed down in the through hole 204 a to press the molding material 8.
  • the molding material 8 spreads throughout the molding space 210.
  • the molding material 8 passes through the through holes 23 a of the connection portion 23 of the metal material 20 to a portion corresponding to the tooth tip.
  • the metal material 20 is molded to fit the mold by the pressure from the molding material 8 (that is, the molding pressure). Thereby, the metal material 20 will have a gear shape, even if it does not have a perfect gear shape originally.
  • the molding material 8 is heated by coming into contact with the lower mold 202 and the upper mold 204, and hardens over time, and integrates with the metal material 20. Then, the upper mold 204 and the male mold 206 are separated from the lower mold 202, and the gear 100 is taken out of the lower mold 202.
  • the gear 100 When the amount of molding material 8 is large, the gear 100 has a protrusion corresponding to the shape of the through hole 204 a of the upper mold 204. In this case, it is removed by machining.
  • the gear 100 will have a recess corresponding to the shape of the male mold 206.
  • the amount of the molding material 8 may be intentionally reduced to positively have a recess.
  • the gear 100 is obtained as described above.
  • the gear main body 10 and the metal material 20 are relatively firmly coupled.
  • the gear 100 among the tooth surfaces, the vicinity of the pitch circle in contact with the other gear is made of the metal material 20, so the surface pressure strength is improved compared to the case where the resin is exposed. That is, according to the gear 100, it is possible to realize a gear which is lightweight but has high surface pressure strength. In addition, since the surface of the tooth is protected by the metal material 20, the falling off of the reinforcing material such as fiber is suppressed. Thus, damage to the surface of the gear 100 by the dropped reinforcing material can be suppressed, and the life of the gear 100 can be extended. In addition, it is possible to prevent the other gear from being damaged by reinforcing materials such as fibers exposed on the surface.
  • the metal material 20 is preferably not circumferentially integrated, but divided in the circumferential direction.
  • one metal material 20 is provided on one tooth.
  • each metal material 20 is formed so as to fit the mold.
  • the metal material 20 is molded to fit the mold by molding pressure, and has a gear shape. That is, since the processing accuracy of the metal material 20 is not required so much, the processing is easy.
  • Modification 1 Although the embodiment describes the case where the gear 100 is manufactured by pressure molding, the invention is not limited thereto, and the technical idea of the embodiment can be applied to molding using a mold such as injection molding or transfer molding.
  • FIG. 7 is a front view showing a gear 100 according to a modification of the embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the metal material 20 of FIG.
  • the metal material 20 has a pair of overhanging portions (embedded portions) 24 extending toward each other from the end opposite to the connecting portion 23 of each of the first plate 21 and the second plate 22.
  • the overhanging portion 24 is embedded in the teeth 11 of the gear main body 10.
  • one set of the projecting portion 24 is also embedded in the gear main body 10, so the gear main body 10 and the metal material 20 are more firmly coupled. Note that a through hole may be provided in the overhang portion 24.
  • the gear 100 when the gear 100 is manufactured, it is possible to prevent the overhanging portion 24 from being bent so as to stick to the first plate member 21 or the second plate member 22 by the pressure from the molding material 8.
  • projection parts 24 which the metal material 20 has is not specifically limited, Even if it has only one overhang
  • the shape of the overhanging portion 24 is not particularly limited, and may be plate-like as illustrated, or may be rod-like or other shape.
  • gear main body 20 metal material, 23 connecting part, 23a through hole, 100 gear.
  • the present invention can be used in gears and methods of manufacturing gears.

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Abstract

歯車100は、樹脂により構成された歯車本体10と、歯車本体10の歯面に配置される金属材20と、を備える。金属材20は、貫通孔を有し、当該貫通孔から歯車本体10の樹脂が金属材20の外側まで出ている。

Description

歯車および歯車の製造方法
 本発明は、歯車および歯車の製造方法に関する。
 樹脂製の歯車は、金属製の歯車と比べて軽量であるが、金属製の歯車と比べて強度が低い。改善策として、樹脂製の歯車を何らかの材料で囲んで強度を高める技術が提案されている(例えば特許文献1)。
特開平5-280617号公報
 特許文献1に記載の歯車は、樹脂と樹脂を囲むプリフォームとの結合性が悪い。同様の課題は、樹脂により構成された歯車本体と、歯車本体の歯面に配置される金属材との場合にも生じうる。
 本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、樹脂により構成された歯車本体と、歯車本体の歯面に配置される金属材との結合性が比較的高い歯車を提供することにある。
 上記課題を解決するために、本発明のある態様の歯車は、樹脂により構成された歯車本体と、歯車本体の歯面に配置される金属材と、を備える。金属材は、貫通孔を有し、当該貫通孔から歯車本体の樹脂が金属材の外側まで出ている。
 本発明の別の態様は、歯車の製造方法である。この方法は、金属材を型内に配置する工程と、樹脂を型内で成形して樹脂と金属材とを一体化させる工程と、を含む。
 なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
 本発明によれば、樹脂により構成された歯車本体と歯車本体の歯面に配置される金属材との結合性が比較的高い歯車を提供できる。
実施の形態に係る歯車を示す正面図である。 図1の金属材を示す斜視図である。 第1準備工程の様子を示す図である。 第2準備工程の様子を示す図である。 第3準備工程の様子を示す図である。 成形工程の様子を示す図である。 実施の形態の変形例に係る歯車を示す正面図である。 図7の金属材を示す斜視図である。
 以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
 図1は、実施の形態に係る歯車100を示す正面図である。歯車100は、歯車本体10と、複数の薄い金属材20と、を備える。図2は、金属材20を示す斜視図である。図2は、歯車本体10と結合される前の金属材20を示している。
 歯車本体10は樹脂製である。歯車本体10は、炭素繊維強化樹脂やガラス繊維強化樹脂などの強化樹脂により形成されてもよいが、これに限定されるものではなく、種々の樹脂を適用できる。
 金属材20は、好ましくは全周一体ではなく、周方向に分割される。図示の例では、金属材20は歯数の数に分かれている、すなわち1つの歯に1つの金属材20が設けられている。金属材20の素材としては、鉄(鋼を含む)やアルミニウムを適用できるが、これに限定されず、種々の金属を適用できる。
 各金属材20は、歯の周方向一方側の歯面の一部(相手方の歯車と歯当たりするピッチ円近傍の部分)を構成する第1板材21と、歯の周方向他方側の歯面の一部(相手方の歯車と歯当たりするピッチ円近傍の部分)を構成する第2板材22と、第1板材と第2板材とを連結する連結部23と、を有する。
 歯車本体10の歯11は、連結部23を径方向内側と外側から挟み込むように設けられている。つまり、連結部(埋没部)23は歯車本体10の歯11に埋没し、歯11の先端部11aが歯車100の歯先を構成している。歯11の先端部11aと根元部11bとは連結部23に形成された貫通孔23aを通じて繋がっている。別の言い方をすると、歯車本体10の樹脂は、相手方の歯車と歯当たりしない部分において、すなわち歯先において、貫通孔23aから金属材20の外側まで出ている。
 図3~6は、歯車100を製造する方法を示す工程図である。なお、図3(a)、図4(a)、図5(a)、図6(a)は平面図である。また、図3(b)は図3(a)のA-A線断面図、図4(b)は図4(a)のA-A線断面図、図5(b)は図5(a)のA-A線断面図、図6(b)は図6(a)のA-A線断面図である。
 図3(a)、(b)は、第1準備工程の様子を示す。下型202には、歯車100の形状に対応する凹部202aが形成されている。第1準備工程では、凹部202aのうち、歯車100の歯に対応する凹部の部分に金属材20を配置する。
 図4(a)、(b)は、第2準備工程の様子を示す。第2準備工程ではまず、下型202と上型204とを型合わせする。これにより、下型202と上型204との間に歯車100の形状に対応した成形空間210が形成される。次に、下型202および上型204を樹脂の硬化温度まで加熱する。
 図5(a)、(b)は、第3準備工程の様子を示す。第3準備工程では、上型204に形成された貫通孔204aから金型内に成形材料8を配置する。本実施の形態では、成形材料8は、繊維で強化した未硬化の熱硬化性樹脂シートである熱硬化性のシートモールディングコンパウンド(SMC)である。
 図6(a)、(b)は、成形工程の様子を示す。成形工程では、平面視で上型204の貫通孔204aに対応した形状の雄型206を貫通孔204a内を押し下げ、成形材料8を加圧する。これにより、成形材料8が成形空間210の全体に行き渡る。成形材料8は特に、金属材20の連結部23の貫通孔23aを通って歯先に対応する部分まで行き渡る。金属材20は、成形材料8からの圧力(すなわち成形圧)により、型に合うように成形される。これにより、金属材20は、元々は完全な歯車形状を有していなくても、歯車形状を有することになる。成形材料8は下型202や上型204に接触することで加熱され、時間が経つと硬化し、金属材20と一体化する。そして上型204および雄型206を下型202から離間させ、下型202から歯車100を取り出す。
 成形材料8の量が多いと、歯車100は上型204の貫通孔204aの形状に対応した突起を有することになる。この場合は、機械加工により除去する。
 成形材料8の量が少ないと、歯車100は雄型206の形状に対応した窪みを有することになる。例えば軸を通すための穴を歯車100に形成する場合は、成形材料8の量を敢えて少なくして積極的に窪みを有するようにしてもよい。
 以上のようにして、歯車100が得られる。
 歯車100によれば、金属材20の一部が歯車本体10内に埋没しているため、歯車本体10と金属材20とが比較的強固に結合される。
 また、歯車100によれば、歯の表面のうち、相手方の歯車と接触するピッチ円近傍は、金属材20により構成されるため、樹脂が剥き出しの場合と比べて面圧強度が向上する。つまり、歯車100によれば、軽量でありながらも面圧強度が高い歯車を実現できる。また、歯の表面が金属材20に保護されるため、繊維等の強化材の脱落が抑止される。これにより、脱落した強化材で歯車100の表面を傷めるのを抑止でき、歯車100の長寿命化を図れる。また、表面に露出した繊維等の強化材により、相手方の歯車を傷めるのも抑止できる。
 また、歯車100によれば、金属材20は、好ましくは全周一体ではなく、周方向に分割される。例えば、1つの歯に1つの金属材20が設けられる。これにより、各金属材20が比較的自由に変形できるため、各金属材20が型に合うように成形される。また、金属材20は、成形圧により型に合うように成形され、歯車形状を有することになる。つまり、金属材20の加工精度はそれほど要求されないため、加工が容易である。
 以上、実施の形態に歯車および歯車の製造方法について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。
(変形例1)
 実施の形態では、加圧成形により歯車100を製造する場合について説明したが、これに限られず、実施の形態の技術思想は射出成形やトランスファー成形など型を用いる成形であれば、適用できる。
(変形例2)
 図7は、実施の形態の変形例に係る歯車100を示す正面図である。図8は、図7の金属材20を示す斜視図である。本変形例では、金属材20は、第1板材21、第2板材22それぞれの連結部23とは反対側の端部から互いに向かって延びる一組の張出部(埋没部)24を有する。張出部24は、歯車本体10の歯11に埋没する。本変形例によれば、連結部23に加えてひと組の張出部24も歯車本体10に埋没するため、歯車本体10と金属材20とがより強固に結合される。なお、張出部24に貫通孔が設けられてもよい。この場合、歯車100を製造する際に成形材料8からの圧力で張出部24が第1板材21や第2板材22に張り付くように折れ曲がってしまうのを抑止できる。なお、金属材20が有する張出部24の数は特に限定されず、図示のように張出部24を一組だけ有していても、張出部24を二組以上有していてもよい。また、張出部24の形状も特に限定されず、図示のように板状であっても、あるいは棒状、その他の形状であってもよい。
 上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。
 10 歯車本体、 20 金属材、 23 連結部、 23a 貫通孔、 100 歯車。
 本発明は、歯車および歯車の製造方法に利用できる。

Claims (8)

  1.  樹脂により構成された歯車本体と、
     前記歯車本体の歯面に配置される金属材と、を備え、
     前記金属材は、貫通孔を有し、当該貫通孔から前記歯車本体の樹脂が金属材の外側まで出ていることを特徴とする歯車。
  2.  前記金属材が相手方の歯車と歯当たりし、
     相手方の歯車と歯当たりしない部分において樹脂が出ていることを特徴とする請求項1に記載の歯車。
  3.  前記歯車本体の樹脂は、繊維強化樹脂であることを特徴とする請求項1または2に記載の歯車。
  4.  前記金属材は、前記歯車本体の樹脂に埋没する埋没部を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の歯車。
  5.  前記金属材は、周方向に分割されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の歯車。
  6.  前記金属材は、一歯につき一つあることを特徴とする請求項5に記載の歯車。
  7.  金属材を型内に配置する工程と、
     樹脂を前記型内で成形して樹脂と金属材とを一体化させる工程と、を含むことを特徴とする歯車の製造方法。
  8.  樹脂はシートモールディングコンパウンドであることを特徴とする請求項7に記載の歯車の製造方法。
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JPS61111980U (ja) * 1984-10-26 1986-07-15
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