JP6161689B2

JP6161689B2 - 繊維強化樹脂歯車

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Publication number: JP6161689B2
Application number: JP2015512485A
Authority: JP
Inventors: 憲仕近江; 村上　徹; 徹村上; 雅也塚本
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: JPWO2014171450A1; WO2014171450A1; CN105121909A; US10012303B2; CN105121909B; US20160047453A1

Description

この発明は、グラスウールを含有する繊維強化樹脂歯車に関するものである。

従来から、一定の繊維径のガラス繊維を含有する繊維強化樹脂歯車が開発されてきた。この繊維強化樹脂歯車は、樹脂材料のみで形作られた歯車よりも高強度で且つ金属製の歯車よりも軽量であるため、燃費向上を図る自動車や軽量化を図る各種機械の動力伝達部品として広く使用されている（特許文献１参照）。

特開２００８−８４０４号公報

しかしながら、近年、繊維強化樹脂歯車が使用される自動車業界において、繊維強化樹脂歯車に対する高温使用下（１３０℃環境下）での耐摩耗性の向上が求められていた。

そこで、本発明は、高温使用下での耐摩耗性を向上させた繊維強化樹脂歯車を提供することを目的とする。

本発明は、グラスウールを含有する樹脂材料が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された繊維強化樹脂歯車に関するものである。この発明において、前記グラスウールは、繊維径が０．１〜１５μｍの範囲で広く分散し、繊維径の最頻値が２〜４μｍの間で出現するように分布し、平均繊維径が４〜５μｍのものであって、且つ、繊維径の最頻値が平均繊維径よりも小さいものが使用されている。

本発明に係る繊維強化樹脂歯車によれば、高温下における耐摩耗性が従来の繊維強化樹脂歯車よりも向上する。

本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂歯車を示す図であり、図１（ａ）は繊維強化樹脂歯車の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断して示す繊維強化樹脂歯車の断面図である。第１の試作品に使用されたグラスウールの繊維径の分布状態を示す図（ヒストグラム）である。第２の試作品に使用されたグラスウールの繊維径の分布状態を示す図（ヒストグラム）である。第３の試作品に使用されたグラスウールの繊維径の分布状態を示す図（ヒストグラム）である。図５（ａ）は第１の試作品の歯の摩耗状態を示す図であり、図５（ｂ）は第１の従来品の歯の摩耗状態を示す図である。図６（ａ）は第２の試作品の歯の摩耗状態を示す図であり、図６（ｂ）は第２の従来品の歯の摩耗状態を示す図である。図７（ａ）は第３の試作品の歯の摩耗状態を示す図であり、図７（ｂ）は第３の従来品の歯の摩耗状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。

（本実施形態に係る繊維強化樹脂歯車の説明）
図１は、本実施形態に係る繊維強化樹脂歯車１を示す図である。この繊維強化樹脂歯車１は、グラスウールを含有する樹脂材料（例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルフォン、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、フェノキシ等の熱可塑性樹脂、好ましくはＰＡ、ＰＯＭ、ＰＰＳ、ＰＰＡ等）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形されたものであり、円板状のウエブ２の外周側にリム３が形成されると共にリム３の外周側に複数の歯４（図１では一つのみ図示）が形成され、軸穴５を備えた軸嵌合部６がウエブ２の中心部に形成されている。

グラスウールは、Ｃガラス又はＥガラスを遠心法および／または火炎法等によってガラス繊維化したものであり、繊維径が０．１〜１５μｍ、好ましくは０．５〜１１μｍの範囲で広く分散し、且つ、繊維径の最頻値が２〜５μｍの間で出現するように分布し、平均繊維径が３〜５μｍ、好ましくは４〜５μｍのものが使用される。このグラスウールは、一般的に短繊維と呼ばれ、長繊維を加工したチョップドストランドやミルドファイバー等とは異なる。

（試作品と従来品の対比）
次に、本実施形態に係る繊維強化樹脂歯車１の試作品の耐久試験及び摩耗試験の結果を、従来品の耐久試験及び摩耗試験の結果と対比して説明する。

Ａ．試作品
（第１の試作品）
第１の試作品は、グラスウール（Ｃガラスを遠心法でガラス繊維化したもの）を３３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された平歯車であり、図１に示した繊維強化樹脂歯車と同様の形状に形成されている。そして、この第１の試作品は、モジュール１、圧力角２０°、歯数３０枚の標準インボリュート平歯車である。

図２は、第１の試作品に使用されたグラスウールの繊維径の分布状態を示す図（ヒストグラム）である。この図２において、横軸がグラスウールの繊維径（μｍ）の階級を表し、縦軸がグラスウールの全体量（１〜１１の各階級に属するグラスウールの重量の総和）に対する各階級に属するグラスウール量の占める割合（％）を表している。なお、以下の表１は、図２の階級と繊維径（ｄ）との関係を示すものである。

図２に示したように、試作品に使用したグラスウールは、繊維径が０．５〜１１μｍの範囲で広く分散するものであり、繊維径の最頻値が３〜４μｍの間で出現し、平均繊維径が４．７μｍ（実測値）のものであった。

（第２の試作品）
第２の試作品は、グラスウール（Ｃガラスを遠心法でガラス繊維化したもの）を４３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された平歯車であり、図１に示した繊維強化樹脂歯車と同様の形状に形成されている。そして、この第２の試作品は、第１の試作品と同様に、モジュール１、圧力角２０°、歯数３０枚の標準インボリュート平歯車である。

図３は、第２の試作品に使用されたグラスウールの繊維径の分布状態を示す図（ヒストグラム）である。この図３において、横軸がグラスウールの繊維径（μｍ）の階級を表し、縦軸がグラスウールの全体量（１〜１１の各階級に属するグラスウールの重量の総和）に対する各階級に属するグラスウール量の占める割合（％）を表している。

図３に示したように、試作品に使用したグラスウールは、繊維径が１μｍ以下から９μｍの範囲で広く分散するものであり、繊維径の最頻値が４〜５μｍの間で出現し、平均繊維径が４．８μｍ（実測値）のものであった。

（第３の試作品）
第３の試作品は、グラスウール（Ｃガラスを遠心法でガラス繊維化したもの）を３３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された平歯車であり、図１に示した繊維強化樹脂歯車と同様の形状に形成されている。そして、この第３の試作品は、第１の試作品と同様に、モジュール１、圧力角２０°、歯数３０枚の標準インボリュート平歯車である。

図４は、第３の試作品に使用されたグラスウールの繊維径の分布状態を示す図（ヒストグラム）である。この図４において、横軸がグラスウールの繊維径（μｍ）の階級を表し、縦軸がグラスウールの全体量（１〜１１の各階級に属するグラスウールの重量の総和）に対する各階級に属するグラスウール量の占める割合（％）を表している。

図４に示したように、第３の試作品に使用したグラスウールは、繊維径が１μｍ以下から１１μｍの範囲で広く分散し、繊維径の最頻値が２〜３μｍの間で出現し、平均繊維径が４．３μｍ（実測値）のものであった。

Ｂ．従来品
（第１の従来品）
第１の従来品は、ガラス長繊維を３３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された平歯車であり、図１に示した繊維強化樹脂歯車１と同様の形状に形成されている。そして、この第１の従来品は、上記第１の試作品と同様に、モジュール１、圧力角２０°、歯数３０枚の標準インボリュート平歯車である。なお、この第１の従来品において、ガラス長繊維を３３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）は、旭化成株式会社のレオナ（登録商標）１３００Ｇに対応する。この第１の従来品に使用されるガラス長繊維の繊維径は、１３μｍ（実測値）であった。

（第２の従来品）
第２の従来品は、ガラス長繊維を４３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された平歯車であり、図１に示した繊維強化樹脂歯車１と同様の形状に形成されている。そして、この第２の従来品は、上記第２の試作品と同様に、モジュール１、圧力角２０°、歯数３０枚の標準インボリュート平歯車である。なお、この第２の従来品において、ガラス長繊維を４３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）は、旭化成株式会社のレオナ（登録商標）１３Ｇ４３に対応する。この第２の従来品に使用されるガラス長繊維の繊維径は、１３μｍ（実測値）であった。

（第３の従来品）
第３の従来品は、ガラス長繊維を３３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された平歯車であり、図１に示した繊維強化樹脂歯車１と同様の形状に形成されている。そして、この第３の従来品は、上記第３の試作品と同様に、モジュール１、圧力角２０°、歯数３０枚の標準インボリュート平歯車である。なお、この第３の従来品において、ガラス長繊維を３３重量％含有するポリアミド（ＰＡ６６）は、デュポン株式会社のザイテル（登録商標）７０Ｇ３３Ｌに対応する。この第３の従来品に使用されるガラス長繊維の繊維径は、１０μｍ（実測値）であった。

Ｃ．耐久試験
（第１の耐久試験）
この第１の耐久試験は、一対の第１の試作品同士、一対の第１の従来品同士を噛み合わせた状態で行うようになっており、１３０℃の高温環境下で、２５０ｒｐｍの回転数で、且つ１．５Ｎｍの試験トルクを負荷し、歯面にグリース（東レ・ダウコーニング株式会社：ＥＭ−５０Ｌ）を塗布した状態で、歯が破損（破壊）するまで行った。表２は、この第１の耐久試験の結果を示すものである。

この第１の耐久試験の結果によれば、第１の試作品は、高温（１３０℃）環境下における耐久性が第１の従来品よりも向上している。この第１の耐久試験の結果は、第１の試作品のグラスウールの繊維径が０．５〜１１μｍと広く分散すると共に、第１の試作品のグラスウールが平均繊維径４．７μｍよりも小さい繊維径範囲（０．５〜４．７μｍ）に多く分散して存在し、第１の試作品のグラスウールの繊維径（０．５〜１１μｍ）が第１の従来品のガラス長繊維の繊維径（１３μｍ）よりも細いため、第１の試作品と第１の従来品の繊維含有量が同量であれば、第１の試作品のグラスウールとベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積が第１の従来品のガラス長繊維とベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積よりも大きくなり、第１の試作品の繊維（グラスウール）による補強効果が第１の従来品の繊維（ガラス長繊維）による補強効果よりも大きくなることに起因すると考えられる。

（第２の耐久試験）
この第２の耐久試験は、一対の第２の試作品同士、一対の第２の従来品同士を噛み合わせた状態で行うようになっており、１３０℃の高温環境下で、１０００ｒｐｍの回転数で、且つ０．４Ｎｍの試験トルクを負荷し、歯面にグリース（東レ・ダウコーニング株式会社：ＥＭ−５０Ｌ）を塗布した状態で、歯が破損（破壊）するまで行った。表３は、この第２の耐久試験の結果を示すものである。

この第２の耐久試験の結果によれば、第２の試作品は、高温（１３０℃）環境下における耐久性が第２の従来品よりも向上している。この第２の耐久試験の結果は、第２の試作品のグラスウールの繊維径が１μｍ以下から９μｍと広く分散すると共に、第２の試作品のグラスウールが平均繊維径４．８μｍよりも小さい繊維径範囲に多く分散して存在し、第２の試作品のグラスウールの繊維径（１μｍ以下から９μｍ）が第２の従来品のガラス長繊維の繊維径（１３μｍ）よりも細いため、第２の試作品と第２の従来品の繊維含有量が同量であれば、第２の試作品のグラスウールとベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積が第２の従来品のガラス長繊維とベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積よりも大きくなり、第２の試作品の繊維（グラスウール）による補強効果が第２の従来品の繊維（ガラス長繊維）による補強効果よりも大きくなることに起因すると考えられる。

Ｄ．摩耗試験
（第１の摩耗試験）
この第１の摩耗試験は、上記第１の耐久試験と同様の一対の第１の試作品同士、一対の第１の従来品同士を噛み合わせた状態で行うようになっており、１３０℃の高温環境下で、２５０ｒｐｍの回転数で、且つ１Ｎｍの試験トルクを負荷し、歯面にグリース（東レ・ダウコーニング株式会社：ＥＭ−５０Ｌ）を塗布した状態で、４８時間（噛み合い回数：７．２×１０^５回）連続して行った。

図５（ａ）は、第１の試作品の歯の摩耗状態を示す図である。また、図５（ｂ）は、第１の従来品の歯の摩耗状態を示す図である。この図５（ａ），（ｂ）に示すように、第１の試作品の歯面の最大摩耗量が０．０３ｍｍであったのに対し、第１の従来品の歯面の最大摩耗量が０．１２ｍｍであり、第１の試作品の歯が第１の従来品の歯よりも摩耗量が少なかった。

また、一対の第１の試作品の摩耗に伴う重量変化は、駆動側の第１の試作品が０．０１１ｇだけ重量が減少し、被動側の第１の試作品が０．０１４ｇだけ重量が減少した。これに対し、一対の第１の従来品の摩耗に伴う重量変化は、駆動側の第１の従来品が０．０４２ｇだけ重量が減少し、被動側の第１の従来品が０．０４５ｇだけ重量が減少した。このように、一対の第１の試作品の摩耗に伴う重量変化は、一対の第１の従来品の摩耗に伴う重量変化よりも小さかった。

この第１の摩耗試験の結果によれば、第１の試作品は、高温（１３０℃）環境下における耐摩耗性が第１の従来品よりも優れている。この第１の摩耗試験の結果は、第１の耐久試験の結果の説明で詳述したように、第１の試作品と第１の従来品の繊維含有量が同量であれば、第１の試作品のグラスウールとベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積が第１の従来品のガラス長繊維とベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積よりも大きくなり、第１の試作品の繊維（グラスウール）による補強効果が第１の従来品の繊維（ガラス長繊維）による補強効果よりも大きくなることに起因すると考えられる。また、この第１の摩耗試験の結果は、第１の試作品の平均繊維径（４．７μｍ）が第１の従来品のガラス長繊維の繊維径（１３μｍ）よりも細く、第１の試作品のグラスウールが平均繊維径４．７μｍよりも小さい繊維径範囲（０．５〜４．７μｍ）に多く分散して存在するため、噛み合う相手歯車の歯への攻撃性が第１の従来品よりも第１の試作品の方が小さいことに起因すると考えられる。

（第２の摩耗試験）
この第２の摩耗試験は、上記第２の耐久試験と同様の一対の第２の試作品同士、一対の第２の従来品同士を噛み合わせた状態で行うようになっており、１３０℃の高温環境下で、２５０ｒｐｍの回転数で、且つ０．８Ｎｍの試験トルクを負荷し、歯面にグリース（東レ・ダウコーニング株式会社：ＥＭ−５０Ｌ）を塗布した状態で、４８時間（噛み合い回数：７．２×１０^５回）連続して行った。

図６（ａ）は、第２の試作品の歯の摩耗状態を示す図である。また、図６（ｂ）は、第２の従来品の歯の摩耗状態を示す図である。この図６（ａ），（ｂ）に示すように、第２の試作品の歯面の最大摩耗量が０．０２ｍｍであったのに対し、第２の従来品の歯面の最大摩耗量が０．１４ｍｍであり、第２の試作品の歯が第２の従来品の歯よりも摩耗量が少なかった。

また、一対の第２の試作品の摩耗に伴う重量変化は、駆動側の第２の試作品が０．００６ｇだけ重量が減少し、被動側の第２の試作品が０．００９ｇだけ重量が減少した。これに対し、一対の第２の従来品の摩耗に伴う重量変化は、駆動側の第２の従来品が０．１０７ｇだけ重量が減少し、被動側の第２の従来品が０．１１０ｇだけ重量が減少した。このように、一対の第２の試作品の摩耗に伴う重量変化は、一対の第２の従来品の摩耗に伴う重量変化よりも小さかった。

この第２の摩耗試験の結果によれば、第２の試作品は、高温（１３０℃）環境下における耐摩耗性が第２の従来品よりも優れている。この第２の摩耗試験の結果は、第２の耐久試験の結果の説明で詳述したように、第２の試作品と第２の従来品の繊維含有量が同量であれば、第２の試作品のグラスウールとベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積が第２の従来品のガラス長繊維とベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積よりも大きくなり、第２の試作品の繊維（グラスウール）による補強効果が第２の従来品の繊維（ガラス長繊維）による補強効果よりも大きくなることに起因すると考えられる。また、この第２の摩耗試験の結果は、第２の試作品の平均繊維径（４．８μｍ）が第２の従来品のガラス長繊維の繊維径（１３μｍ）よりも細く、第２の試作品のグラスウールが平均繊維径４．８μｍよりも小さい繊維径範囲に多く分散して存在するため、噛み合う相手歯車の歯への攻撃性が第２の従来品よりも第２の試作品の方が小さいことに起因すると考えられる。

（第３の摩耗試験）
この第３の摩耗試験は、一対の第３の試作品同士、一対の第３の従来品同士を噛み合わせた状態で行うようになっており、１３０℃の高温環境下で、２５０ｒｐｍの回転数で、且つ１Ｎｍの試験トルクを負荷し、歯面にグリース（東レ・ダウコーニング株式会社：ＥＭ−５０Ｌ）を塗布した状態で、４８時間（噛み合い回数：７．２×１０^５回）連続して行った。

図７（ａ）は、第３の試作品の歯の摩耗状態を示す図である。また、図７（ｂ）は、第３の従来品の歯の摩耗状態を示す図である。この図７（ａ），（ｂ）に示すように、第３の試作品の歯面の最大摩耗量が０．０３ｍｍであったのに対し、第３の従来品の歯面の最大摩耗量が０．１８ｍｍであり、第３の試作品の歯が第３の従来品の歯よりも摩耗量が少なかった。

また、一対の第３の試作品の摩耗に伴う重量変化は、駆動側の第３の試作品が０．０２２ｇだけ重量が減少し、被動側の第３の試作品が０．０２２ｇだけ重量が減少した。これに対し、一対の第３の従来品の摩耗に伴う重量変化は、駆動側の第３の従来品が０．０３８ｇだけ重量が減少し、被動側の第３の従来品が０．０３７ｇだけ重量が減少した。このように、一対の第３の試作品の摩耗に伴う重量変化は、一対の第３の従来品の摩耗に伴う重量変化よりも小さかった。

この第３の摩耗試験の結果によれば、第３の試作品は、高温（１３０℃）環境下における耐摩耗性が第３の従来品よりも優れている。この第３の摩耗試験の結果は、第３の試作品と第３の従来品の繊維含有量が同量であれば、第３の試作品のグラスウールとベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積が第３の従来品のガラス長繊維とベース樹脂（ＰＡ６６）との接触面積よりも大きくなり、第３の試作品の繊維（グラスウール）による補強効果が第３の従来品の繊維（ガラス長繊維）による補強効果よりも大きくなることに起因すると考えられる。また、この第３の摩耗試験の結果は、第３の試作品の平均繊維径（４．３μｍ）が第３の従来品のガラス長繊維の繊維径（１０μｍ）よりも細く、第３の試作品のグラスウールが平均繊維径４．３μｍよりも小さい繊維径範囲に多く分散して存在するため、噛み合う相手歯車の歯への攻撃性が第３の従来品よりも第３の試作品の方が小さいことに起因すると考えられる。

なお、本発明の繊維強化樹脂歯車１は、上記実施形態において例示した平歯車に限定されるものではなく、はすば歯車、やまば歯車、ウォームホイール、かさ歯車、フェースギヤ、ラック等に適用できる。

また、本発明の繊維強化樹脂歯車１は、図１の平歯車の形状に限定されるものでなく、様々な形状の平歯車に適用できる。

また、本発明の繊維強化樹脂歯車１は、Ｃガラス又はＥガラスを遠心法によってガラス繊維化したグラスウールが使用されているが、Ｃガラスを遠心法によってガラス繊維化したグラスウールを使用するのが好ましい。Ｃガラスを遠心法によってガラス繊維化したグラスウールは、Ｅガラスを遠心法によってガラス繊維化したグラスウールよりも弾性率が低く、噛み合う相手歯車（繊維強化樹脂歯車１）への攻撃性がＥガラスを遠心法によってガラス繊維化したグラスウールよりも低いことによる。

また、本発明の繊維強化樹脂歯車１は、ベース樹脂に対するグラスウールの含有率が１０〜５０重量％の範囲で、使用条件に応じた最適のグラスウールの含有割合が決定される。また、本発明の繊維強化樹脂歯車１は、ベース樹脂に対するグラスウールの含有率が２０〜５０重量％、３０〜５０重量％の範囲で選択されると、さらに好ましい。

１……繊維強化樹脂歯車

Claims

グラスウールを含有する樹脂材料が金型のキャビティ内に射出されることにより成形された繊維強化樹脂歯車であって、
前記グラスウールは、繊維径が０．１〜１５μｍの範囲で広く分散し、繊維径の最頻値が２〜４μｍの間で出現するように分布し、平均繊維径が４〜５μｍのものであって、且つ、繊維径の最頻値が平均繊維径よりも小さいものが使用された、
ことを特徴とする繊維強化樹脂歯車。