JPH035134A - 歯車 - 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］ この発明は、新規な素材よりなる歯車に関するものであ
る。

［従来の技術］ 機械要素部品である歯車は、動力の伝達に使用され、増
速、減速１回転軸の方向移動、動力合成、差動等種々の
目的に用いられている。そして負荷の大きさ、回転数、
使用環境（温度、雰囲気等）の条件より、適切な形状や
材質が泗定され設計される。近年、オフィスへのＯＡ機
器の普及、家庭内への家電製品の普及、自動車の普及等
われわれは、文明の利器の恩恵を受けているが、この陰
にはエンシニアリングプラスヂックスを始めとする新素
材の開発があり、一方それを使いこなした設計思想の転
換がある。

従来の金属歯車はどんな成形方法であっても、同一寸法
で高精度のものを得るためには最終工程で切削あるいは
研磨による精度出しが必要である。

方プラスチックス歯車は主として射出成形により生産さ
れ、後加工なしに、同一寸法で高精度のものが比較的容
易に大量生産される。ブスヂックス歯車は、金属歯車と
比較して」−２の量産性に加え、軽量性、静粛性、断熱
性等の長所があるが、　ＨＢに強度、耐熱性、耐まもう
性に劣るという短所がある。

また、プラスチックス歯車は、その成形材料の樹脂組成
物の中に比較的容易に固体潤滑剤を混線分散させること
が可能で、低負荷下では潤滑油なしても使用することが
できる点が金属歯車に比較して大きな特長である。

したがって、プラスチックス歯車は、強度をあまり必要
としない事務機器、家電製品、玩具等の低負荷、好瑠境
下で使用される用途に利用され始めた。ポリアミド樹脂
、ポリアセタール樹脂等の歯車がその代表例である。

中〜高負荷で使用されるプラスチックス歯車については
その成形材料の樹脂組成物の中にガラス繊維や炭素繊維
等の繊維状補強材を混入させることが多い３．ガラス繊
維強化ポリアセタール樹脂、炭素繊維強化ポリアミド樹
脂等の歯車かその代表例である。これらの歯１Ｌは一般
にグリース等の憫滑油の存在下で自動１１（の電装部品
や電動工具や家電製品の中〜高負荷のモータ動力伝達機
構に低コスト化、静粛性を＝ドな利点として金属歯車に
替えて多用さている。しかしなから、自動車のエンジン
内部機構等の１５０℃前後の温度で、中〜高負荷て使用
される場合、従来は、金属歯」ｉを使用することが常識
であった１、 この他複写機、熱ロール駆動機構等の２００℃を越える
ような温度で使用される歯車の場合、自動車のエンジン
内部機構とは選なり、この温度での油潤滑は、油の耐熱
性や油による器内汚染の問題より事実上手ｉｉＪ能であ
る。したかって、固体潤滑剤を配合し、繊維状補強材て
機械強度を強化した熱硬化＋Ｖポリイミド樹脂（たとえ
ばテユポンネ］商品名へスペル等）の切削加工により成
形した歯車を使用することが常識であった。

最近、熱可塑性樹脂でありながら、今まてになく優れた
耐熱＋Ｊ１：、機械強度等をイＪ°する新素材か開発さ
れ、これ等の新素材を機械設計の中に取り久れる努力が
されて来た。

例えばＩＣ１社のポリニーデルケトン樹脂、ポリエーテ
ルサルホン樹脂、ＧＥ社のポリニーデルイミド樹脂等か
その代表例である。、これらは、いずれも加熱変形温度
が２００℃を越えるエンシニアリングプラスヂックスで
はあるが、たとえ２００℃の温度下でも長期間機械強度
が継続できるものではなく、自動車その他で１５０℃を
越える温度で使用される歯車で長寿命を期待する場合は
、金属を使用するが、前述の繊維状補強材で強化した熱
硬化性ポリイミド樹脂を使用するかのどちらかであった
。

ただし前述の複互機熱ロール駆動歯車の場合、コスト面
から、前述の熱可ｇ！　＋Ｉ：樹脂を使用し、射出成形
で歯ｊ１．？を得、それを保守部品として定期的交換を
行うことにより寿命の問題を解消している場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ このように、従来の技術では、熱可塑性樹脂を使用して
溶融成形により得られる歯車では量産性に優れてはいる
ものの、１５０°Ｃを越える温度下、特に２００℃を越
える温度下で、連続して使用され、長寿命でかつ中〜高
荷重の動力を伝達できるものは得るられないという問題
点があった。

本発明の目的は、これらの問題点のない歯車を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するために、発明者らは、新規な歯車
用素材を種々検討の結果、特定のポリイミド樹脂および
その樹脂組成物を使用することにより、前記目的を達成
し、発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、式 で表わされる繰り返し中イ）ンをイＪするボリイミｌ”
　Ｐ−１脂（以１−’Ｔ　Ｐ　Ｉ　トイ’）　）　カ５
０〜１００　ｆｒｉ：ｉｊ％、繊維状補強拐かＯ〜４０
１Ｆ量％、および／まノこは固体潤滑剤か０へ／　３　
Ｑ　”１１７　ｂｉ％よりなり、繊紐状補強旧と固体潤
汁剤の合計１＋しか仝組成の０〜５０ｊ口ｈＩ％である
ＴＰＴ樹脂またはＴＰＩ樹脂紹成物を成形してなる歯車
である。

本発明に使用するＴＰＩは、特開昭６２−２０５１２４
に開示されている結晶を有する熱可塑性樹脂て、その特
＋１−の中で、（株）東洋才ｌ１１機製作所製のハイブ
ロン動的粘弾＋［特＋１．試験機にて測定したｉｒｉ＋
　＋Ｉｔ率の’ｌ：ｎｉ度依存Ｈ゛を第１図に示す。図
中（八）／１）ＴＰＩ（ガラス転移温ｊ度２５０℃、融
点３８８℃、結晶＋′１）て２５０℃を越える領域まて
弾＋１十の低ドか認められない。この特性は前述の熱硬
化ＰＩポリイミド樹脂の特Ｐ［にほぼ等しい。また対比
として（＋３）にポリニーデルニーデルケトン樹脂（以
−ＩＰ　ＨＩｉ　！＜という）（カラス転移温度１４３
℃、融点３３４℃、結晶＋’Ｉ　）　（Ｃ）にポリアミ
ド６．６樹脂（１）Δｍ［ｉ、６）（カラス転移７１１
１シ度８０′″Ｃ１融点２６５℃、結晶セ１）の＋ｊｌ
ｉｊ性ヰくを示す。図より明らかなように、ＴＰＩは２
００℃を越える領域ても良好な弾性率を維）、５してい
る。

第２図にＴＰＴ（結晶化品）と対比として熱硬化＋’ｌ
ボリイミ）・樹脂（デュポン社ベスペル）と１）ＥＩｉ
Ｋ（結晶化品）の勅まさつ係数の経時変化を示す。

（株）東洋精機製作新製のビンオンディスク塑スラスト
まさつまｂう試験機を使用し、負荷圧力２．０　Ｊｆ／
ｃｍ２、慴動速度１２０　ｍ／ｍｉｎ　、室温の条件で
、各試験樹脂の直径５ｍｍに切削加圧した丸棒を、Ｓ＋
１Ｓ：１０４製的径１１０ｍｍのターンデープルの表面
を１１５００のエメリーベーパーて研磨処理した平滑面
に、重置に立て、錘により面圧２．Ｏｋｇｆ／ｃｍ２と
し、慴動速度１２０　ｍ／ｍｉｎとなるように回転数調
整を１「い、無潤滑−トてまさつ係数の経時変化を測定
した。

第２図より明らかなようにＴＰＩは、長時間にわたり安
定かつ、低まさつ係数をもつものである。

第１，２図に物性例を示したように、Ｔｌ）Ｉそのもの
の強度、耐熱＋＋１．耐まさつまもう特性幻、他の熱ｉ
＋１塑結晶性樹脂と比較し、飛躍的に向−１−シており
、一方、成形特性においては同等の特Ｐ１を有しており
、○Ａ機器、家電製品の分野でまもう粉汚染が心配され
る分野で使用される歯ｔｌ、として、本発明の歯「１弓
ま最適である。

本発明による歯車は、配合制を添加することなくＴＰ　
Ｉのみて成形されたものは、高温、低負荷下では充夕超
用に供されるか、さらに高温あるいは高負荷等の条件で
使用される歯車には、ＴＰＴに繊紐状補強祠および／ま
たは固体個１滑剤の配合が好ましい。

この発明において使用する繊Ｍ１状補強利と（）ては、
炭素繊ＭＦ、ガラス繊組、チタン酸カリウム繊紐、アス
ベスト繊維、芳香族ポリイミド繊維、芳香族ポリニスデ
ル繊維、芳香族ポリアミドｍＭ［、ボロン繊維、アルミ
ナ繊維等がある。

般的な熱可塑性樹脂の中で、最も品耐熱、高強度な樹脂
の一つであるＰ［佳にのナヂュラルおよび炭素繊維３Ｏ
Ｉｆ量％強化品（結晶化品）とＴＰＩのナヂュラルおよ
び炭素繊維３０重置火強化品（結晶化品）のヤング率お
よび引張強度の温度依存＋１．を表−１に示す。

なお、表−１の値は八ＳＴＭ　Ｄ−６：＋８に従っ゛Ｃ
測定した値である。

表中、ＴＰＩ　Ｃ１１３０はｌ）　ｌｉ　ｌミＫ（シｌ
ｉ　＋Ｉ　Ｏに比較して１５０℃を越える高温において
もヤング率の低下がほとんと゛なく、強度低下も少ない
ことが分る。

表−１ヤング率及び引張強度の温度依存性量％五化品窟
晶化品） 　０ 般に、結晶性樹脂を繊維強化したものは、加熱変形温度
等の実用耐熱強度が大幅に向１−するというものの、基
本的に樹脂の軟化開始温度であるガラス転移温度が、Ｔ
ＰＴは＋１１ｉ　１７　Ｋの１４３℃に比較して２５０
℃と大幅に高いことか圧倒的に高温物性に対して有利な
点である。現在工業生産されており市場で比較的容易に
入手可能な一般的な熱可塑結晶性樹脂で、成形が一般的
な射出成形か可能なものの中で、このＴＰＩはとガラス
転移温度の高い樹脂は他にない。

本発明で使用する固体潤滑剤としては四フッ化エチレン
樹脂（以下Ｐ　’ｒ　Ｆ　Ｆ、という）、黒２１）、六
方晶チッ化ポウ素、二硫化モリブデン、−酸化鉛、フッ
化炭素などがある。

ＴＰＩをベースとした配合材（繊維状補強材、固体潤滑
剤）の種類とその配合割合の組合せは無限にあるが、１
−１的とする歯１１１の便用条件により、その組合せを
選定する。

具体的には強度重視の場合は特に炭素繊維またはガラス
繊維を、耐まもう特性重視の場合は特に１ 芳香族’Ｍ機織繊維、まさつ特性重視の場合は特に＋１
Ｔ　Ｆ　Ｉｉおよび／または黒鉛等の固体潤滑剤を配合
すれば良い。

低負荷用途で歯車を無潤滑で使用する場合、ＴＰＩに配
合するものは、繊維状補強材と固体潤滑剤を併用する。

特に、固体潤滑剤としては耐まさつまもう特性子ＰＴＦ
Ｅ、黒鉛、またはＰＴＦＩＥと黒鉛の併用が、繊維状補
強材としては、強度の面では炭素繊維が、経済性の而で
はガラス繊維あるいはチタン酸カリウム繊維の使用が好
ましい。繊維状補強材として芳香族ポリイミド繊維、芳
香族ポリニスデル繊維、芳香族ポリアミド繊維等を使用
すると歯車の耐まもう特性は非常に改良されるが、強度
が低下する欠点がある。

中〜高負荷用途で歯車を油潤滑下で使用する場合、ＰＴ
Ｉに配合するものは繊維状補強材のみ、特に強度の面で
炭素繊維またはガラス繊維の使用が好ましい。

配合ポとしては、’ｒｌ）１５０〜１００重量％、繊維
状補強材０〜４０重量％、固体潤滑剤０〜３０２ 重量％（繊維状補強材と固体潤滑剤の合計量か全樹脂組
成物の０〜５０重量％）配合したものが好ましい。ここ
で、繊維状補強剤と固体潤滑剤の合計量が樹脂の５０重
量％を越えてＴＰＩの量が５０重耐火未満になると、混
合が不充分で均一な組成物が得られず、樹脂の流動性が
失われて成形が困難になる。また、繊維状補強剤の量が
４０重量％を越えると、ＴＰＩと繊維状補強材のかさ密
度が著しく異なるなどのため、混合が不充分となり、コ
ンパウンド化の工程が困難になり均一な組成物が得られ
ない。固体潤滑剤の量か３０重量％を越えると、組成物
の流動性は著しく低下し、得られた成形品の強度も同様
に著しく低下するのて好ましくない。

ここで、ＴＰＩ、繊維状補強材および固体潤滑剤などの
混合手段は、これらを個別に溶融混合機に供給しても、
また、これらを予めヘンシェルミキサー、タンブラ−リ
ボンブレンダーなど汎用の混合機で乾燥混合した後、溶
融混合機に供給してもよく、その具体的方法は、特に限
定されるも　３ のてはない。

［実施例］ 実施例および比較例に用いた諸材料は次に示す通りであ
る。

■　ＴＰＩ（玉井東圧化学社ＮＥＷ−ＴＰＩ４５０）■
　ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＩＣＩ社ＶＩＧＴ
ＲＥＸ　ＰＩＥＥＫ４５０　） ■　ポリアミド樹脂（６６ナイロン：東し社アミランＣ
Ｍ３００］−Ｎ） ■　炭素繊維（チョツプドストランド：東邦レーヨン社
ベスファイトＨＴへ） ■　芳香族ポリアミド繊維（チョップトストランド・東
しデュボン社ケブラー） ■　ＰＴＦＥ　（ダイキン工業社ルブロンし−５）上記
諸材料を表−２に示すような割合（重量％）で乾式混合
し、溶融押出機で表−２に示す温度条件で、混練及び造
粒を行フた。得られたベレットを表−２に示す成形条件
で射出成形を行い得られた歯車を表−２に示すアニール
条件で成形歪除去等の加熱処理を行い、ＴＰＩベースの
歯車　４ Ａ、ＡＦ、ＡＮ　（実施例１，２．３）ポリニーデルエ
ーテルケトン枯１脂ヘースの歯１１ｊＢ、ＢＦＢＮ（比
較例１，２．３）およびポリアミド樹脂ヘースの両市Ｃ
，ＣＦ、ＣＮ　（比較例４．５６）の９種類の歯巾な１
ｉｔた。

　５ なお、歯車の射出成形に使用Ｉ７た冷却金型はずへて同
一金型である１、歯Ｊトはインホリュート平歯中で、諸
元はピッチ円的径６０＋ｎｍ、モジュールＩＯ１歯数６
０枚、歯１１Ｊ５ｍｍ、圧力角２０°のち〈）て、月３
・＋１１７０１に従っ゛Ｃ設計した標べｌ′両歯中ある
。

各歯巾について第３図に示すキャプスタ−により一定の
回転数における破壊トルク試験を行った。

第３図において、５．５ＫＷのΔにサーボモーター及び
コントローラ１　（８０〜８０００ｒｐｍ可変）の回転
軸は、面記試験用歯車と同一諸元て、構造用炭素鋼５４
５Ｇを切削後高周波焼入れ処理を行〕た歯巾３の回転軸
２（直径２５ｍｍ）と連結させる。歯巾３に試験用歯巾
４が組合わされ、歯巾４の回１＋１！、輔５はトルク発
生機６（５〜５００　ｋ）Ｈｆ・ｃｍ’ｉ杜変）と連結
し、トルク指示計兼回転計７てトルクおよび回転数か読
みとられ、記録計８て記録される。組合された歯車は、
ギヤホックス９（マ１法１５０ｍｍ　ｘ１５０ｍｍ　Ｘ
　５０ｍｍ、ｌ　ド２分割）におさめられ、／ｉｌｌ　
ｉ’ｌｊ＋　７１：　　７ 試験時には、潤滑油として出光アポロイルギヤオイル１
ｌＥ９０ｓを入れて潤滑油浴として使用した。さらに高
温時試験のため、ギヤホックス９は内寸法２００　＋口
ｍ　ｘ　２００ｍｍ　ｘ　１５０ｍｍ、トド２分割の電
熱式熱風循環過熱炉１０におさめ、その温度は、温度調
節器兼温度指示計１１で調節指示され、前記記録計８で
記録するようにした。

破壊トルク試験は、回転数を２０００ｒｐｍと一定にし
、加えたトルクは、トルク発生機により、２．５ｋｇｆ
−ｃｍ／分の割合で増加させて行い、油潤滑時の試験を
実施例１．３比較例１，３，４．６について室温および
１５０℃において、また無淵滑時の試験を実施例２，３
比較例２，３，５．６について室温１５０℃及び２００
℃において行った。なお油潤滑時の試験を２００℃て行
わなかったのは、ギヤオイルの耐熱にトをｙＳ處したた
めである。

試験の結果は表−３に一括して／王（シた。

表３中、測定不能とは、負荷開始直後に歯巾が変形又は
破壊してしまい、トルクの１ｌｌｌ定か不可能であった
ことを示し、５〉はトルク発生機のトル　８ り下限値以下で破壊したことを示す。

本発明によるＴＰＩを使用した歯車Ａ、ＡＦおよびＡＮ
は、比較例のポリニーデルエーテルケトン樹脂あるいは
ポリアミド樹脂を使用した歯巾Ｂ、Ｃ，ＢＦ、ＣＦおよ
びＢＮ、ＣＮと比較して１５０℃および２００℃におけ
る破壊トルク値に圧倒的優位性を示した。

　９ ［発明の効果］ この発明は、ＴＰＴを含む成形材料を溶融成形し、得ら
れたものの’１ｒｆ）か特に２００℃を越える高温下で
も充分な機械強度および耐まもう特＋＋１″を保存して
いる歯車を提供することができ、内燃機関内部歯車や、
複写機あるいはレーザープリンターの熱転写ロール駆動
歯車等の用途に最適てあり、産業上の利用価値はきわめ
て大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種耐熱性樹脂の弾性率の温度依存性を示すグ
ラフ、第２図は各種耐熱性樹脂の動まさつ係数の経時変
化を示すグラフ、第３図は、ギヤテスターの説明図であ
る。 １・・・サーボモーターおよびコントローラ２．５・・
・回転軸　　　　３・・・炭素鋼製両市４・・・試験用
歯車　　　　６・・・トルク発生機７・・・トルク指示
計兼回転計 ８・・・記録計　　　　　　９・・・ギヤホックス１０
・・・加熱炉 １１・・・温度調節器兼温度指示計

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされる繰り返し単位を有するポリイミド樹脂を用
   いてなる歯車。 ２、式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされる繰り返し単位を有するポリイミド樹脂が５
   ０重量％以上、繊維状補強材が４０重量％以下および／
   または固体潤滑剤が３０重量％以下よりなる樹脂組成物
   を用いてなる歯車。