从轻量化和提高静稳性观点出发，对树脂制齿轮的用途要求高。但是，一般来说，与钢制齿轮相比，存在强度不足的问题，适用领域没有超出预期。在石井等人开发的护理、康复训练、重作业支援机器用促动器中，内置的高速齿轮采用了能够传递必要扭矩的钢制齿轮，但为了轻量化和提高静稳性，需要将其用树脂代替。这次，我们以该准双曲线齿轮为对象，对提高树脂制齿轮强度的方案进行了验证。

作为提高树脂制齿轮强度的方法，迄今为止也在研究使用碳纤维树脂制齿轮，碳纤维具有铁的10倍的比强度和优异的特性，通过提高连续碳纤维的填充率，可以进一步提高其特性。

因此，本研究进行了高密度填充连续碳纤维的CFRP制高精度齿轮的制作和评价，并通过与具有优异强度特性的PEEK制高精度齿轮进行比较评价，确认了其有效性。

2. CFRP准双曲线齿轮的设计与制作

如图1所示，使用连续碳纤维作为树脂准双曲线齿轮的增强材料。将碳纤维沿着齿形呈螺旋状配置。在一般的树脂齿轮中，由于齿根强度不足导致的破损现象比较普遍，因此将碳纤维沿着齿的形状取向，碳纤维抵抗齿轮齿根弯曲引起的拉力，从而提高齿轮齿根的强度。另外，如果断续地使用纤维，则纤维端部的强度是由较低强度的基体树脂的特性所支配，破损通常从该处开始。为了解决这一问题，我们使用PPS（聚苯硫醚）作为基体，将连续碳纤维配置成螺旋状，可以均匀地强化齿轮整体。一般来说，树脂齿轮与金属相比，热导率小，由于驱动引起的摩擦，温度上升，强度有下降的倾向。之所以采用PPS，是因为在提高驱动时对摩擦热的耐热性的同时，在所有树脂中强度和刚性也高，即使在高温中机械性能的降低幅度也小。

图1 采用的方法

 

 

 

CFRP准双曲面齿轮的制作流程如图2所示。以单向高密度（树脂含量40±5wt%，碳纤维含量53%）填充碳纤维织物为原料。为了缓和冲压成形时施加的碳纤维的应力，采用了大致符合齿轮齿形的预制件。由于准双曲面齿轮没有理论齿形，所以用3D扫描仪读取市面上销售的钢制准双曲面齿轮的形状，制成冲压模具。钢制准双曲面齿轮的齿轮规格如表1所示。通过将模压成形的CFRP齿部嵌入成形，实现CFRP准双曲面齿轮。用于嵌入成形的材料与CFRP齿部的基体材料相同，考虑耐热性和成形性使用PPS。

 

表1 钢制准双曲面齿轮尺寸

 

 

 

 

图2 CFRP准双曲面齿轮制作流程

 

3. 评估方法

 

评估试验用准双曲面齿轮如图3所示。作为CFRP准双曲面齿轮的比较对象，准备了作为树脂材料具有高强度的PEEK制准双曲面齿轮。PEEK准双曲面齿轮是以制作冲压成形模具的数据为基础，通过切削加工制作而成。此外，如果齿面含有增强纤维（短纤维），则会促进磨损，因此选定的PEEK材料不使用增强纤维。

评估试验分静强度试验和耐久试验，两种试验均采用钢制游星齿轮作为配对齿轮。因此，运转时摩擦热可通过配对齿轮散热，减小热量对试验的影响。

由于准双曲面齿轮在旋转方向上的特性不同，两种试验都从准双曲面齿轮的上方看，均为逆时针旋转。试验环境在室温下的大气条件下实施。

在静态强度试验中，固定钢制游星齿轮，以极低速驱动试验用准双曲面齿轮齿轮，测定了准双曲面齿轮齿轮直至破损的变形量和转矩。转速为1mim-1，无润滑。

耐久试验是通过负载机施加恒定扭矩负载，测定了准双曲面齿轮直至破损的转速。由于本试验是以检测CFRP准双曲面齿轮的有效性为目的，但实验用准双曲面齿轮转速达到105时结束试验。此外，本试验再润滑油润滑的条件下进行。

 

 

图3 准双曲面齿轮

 

4. 评估结果

静态强度试验结果如图4所示。当超过大扭矩时，扭矩减小是因为发生破损的原因。由图可知，CFRP准双曲面齿轮的大破损强度是265N·m，PEEK准双曲面齿轮大破损强度是154N·m。两者相比，CFRP齿轮的静态强度为PEEK齿轮的1.7倍，证明碳纤维复合材料提高了齿根的强度。

耐久试验结果如图5所示。在负载扭矩为30N·m、即使旋转105，也未发生破损，分别在在40N·m/旋转4.8X104和50N·m/旋转1.2X104时发生破损。而PEEK齿轮在负载扭矩为20N·m、旋转105时未发生破损，但在40N·m/旋转2.0X104和50N·m/旋转3.6X103时发生破损。CFRP齿轮与PEEK齿轮的耐久性相比，在负载扭矩是40N·m时，CFRP是PEEK的2.4倍；在负载扭矩是50N·m是，CFRP是PEEK的3.3倍。

 

 

 

图4 静态试验结果

 

 

 

 

 

图5扭矩与疲劳寿命的关系

 

5.结束语

本次通过制作CFRP准双曲面齿轮，并对其进行评估，CFRP齿轮与PEEK齿轮相比，具有约1.7倍的静态强度和2~3倍的耐久性，显示出优异的特性。

参考文献

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(3) 大河内一輝，王志剛，吉川泰晴，三宅和彦，連続炭素繊維をインサート成形した樹脂歯車の設計と強度評価，日本機械学会東海支部第 66 期総会・講演会講演論文集 (2017) ，No.173-1．