(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂部材と、この樹脂部材よりも線膨張係数の小さいインサート部材とからなるインサート成形品の解析モデルに生じる内部応力をコンピュータにより解析する方法であって、
コンピュータ上で前記インサート成形品の解析モデルにインサート成形後の冷却による温度変化を与えることによって、当該解析モデルにおける樹脂領域および金属領域に生じた熱収縮に伴う各領域の歪を演算により取得する第１の解析工程と、
前記インサート成形品における前記インサート部材の所定位置に歪センサを取り付けた状態で当該インサート部材から前記樹脂部材を除去し、前記樹脂部材を除去する前後の歪の変化値を前記歪センサから取得する実測工程と、
前記実測工程において取得された歪の変化値及び前記第１の解析工程において取得された歪の変化値と第１の解析工程で用いた前記温度変化とから、前記インサート成形品に付与された実際の温度負荷条件を推定し、この温度負荷条件によって前記解析モデルに発生する内部応力を取得する第２の解析工程と、を含む、インサート成形品の応力解析方法。
【請求項２】
前記実測工程における前記歪センサの取り付け位置が、前記第１の解析工程における解析結果に基づいて設定される請求項１に記載のインサート成形品の応力解析方法。
【請求項３】
前記インサート成形品が、樹脂部材としてのプーリ本体と、このプーリ本体の内周側に配置されたインサート部材としての芯材と、からなる請求項１又は２に記載のインサート成形品の応力解析方法。
【請求項４】
前記芯材が、転がり軸受の外輪である請求項３に記載のインサート成形品の応力解析方法。
【請求項５】
前記歪センサは、外輪の内周面に形成された軌道に取り付けられる請求項４に記載のインサート成形品の応力解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インサート成形品の応力解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車のエンジン部品等に用いられるプーリとして、小型・軽量化や低コスト化の観点から金属製プーリに代えて樹脂製プーリが用いられている。また、このような樹脂製プーリとして、玉軸受等の金属製の転がり軸受と、この転がり軸受の外輪の外周面に設けられた合成樹脂製のプーリ本体とからなるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。転がり軸受の外輪は、例えば、インサート成形によってプーリ本体に一体化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２２１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の樹脂製プーリのようなインサート成形品は、樹脂部材と金属部材との線膨張係数の相違により、インサート成形後又は成形中の冷却工程における各部材の熱収縮量が異なり、この熱収縮量の差に起因して各部材に内部応力が発生する。特に、樹脂部材に発生する内部応力はクラック等の破損の原因となる可能性があるため、インサート成形品を設計するには、この内部応力の発生状況を適切に把握することが必要となる。
【０００５】
また、インサート成形品の樹脂部材には、通常、金属部材との境界部分に最大の内部応力が発生するため、この境界部分における内部応力を求めることが最も重要となる。しかし、この境界部分の内部応力を実測することはできないので、コンピュータを用いたＦＥＭ解析によって当該内部応力を求めているのが現状である。このＦＥＭ解析は、インサート成形品を解析対象としてモデル化すると共に、冷却工程における温度変化（温度負荷）を条件として与えることによって解析モデル上の樹脂領域及び金属領域の熱収縮状態を解析し、各部の内部応力を求めるものである。
【０００６】
しかし、上記のようなコンピュータによるＦＥＭ解析だけでは、強化繊維を含む樹脂材料の異方性や成形時の射出圧による残留応力、熱硬化性樹脂の硬化反応熱による温度上昇や硬化反応による収縮等の種々の影響を加味したうえで内部応力を求めることができないので、実物のインサート成形品に発生する内部応力と、ＦＥＭ解析で求められる内部応力との乖離が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、実物のインサート成形品における歪の発生状況を加味した上でコンピュータ上でより正確な応力解析を行うことができるインサート成形品における応力解析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、樹脂部材と、この樹脂部材よりも線膨張係数の小さいインサート部材とからなるインサート成形品の解析モデルに生じる内部応力をコンピュータにより解析する方法であって、コンピュータ上で前記インサート成形品の解析モデルにインサート成形後の冷却による温度変化を与えることによって、当該解析モデルにおける樹脂領域および金属領域に生じた熱収縮に伴う各領域の歪を演算により取得する第１の解析工程と、前記インサート成形品における前記インサート部材の所定位置に歪センサを取り付けた状態で当該インサート部材から前記樹脂部材を除去し、前記樹脂部材を除去する前後の歪の変化値を前記歪センサから取得する実測工程と、前記実測工程において取得された歪の変化値及び前記第１の解析工程において取得された歪の変化値と第１の解析工程で用いた前記温度変化とから、前記インサート成形品に付与された実際の温度負荷条件を推定し、この温度負荷条件によって前記解析モデルに発生する内部応力を取得する第２の解析工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
インサート成形品は、成形後又は成形中の冷却工程によってインサート部材よりも樹脂部材が大きく熱収縮し、これによってインサート部材には樹脂部材からの締付力に起因する内部応力が発生する。そのため、インサート部材から樹脂部材を除去すると締付力が解かれ、インサート部材には内部応力が解消される方向に歪が生じることになる。また、インサート成形品は、冷却工程に限らず、成形素材の種類等の要因で成形の過程において種々の熱変形を伴う場合がある。
【００１０】
本発明では、実物のインサート成形品におけるインサート部材の所定位置に歪センサを取り付け、インサート部材から樹脂部材を除去する。そして、インサート部材から樹脂部材を除去する前と後の歪の変化値を歪センサから取得する（実測工程）。この歪の変化値は、インサート成形品の熱履歴による変形を加味した値となる。そして、実測工程における歪の変化値と、第１の解析工程における歪の変化値との対比から、実物に付与された温度負荷（熱履歴）がどの程度であったかを推定することができるので、その温度負荷を新たな条件として与えて第２の解析工程を行い、解析モデルに生じる内部応力を取得する。すなわち、本発明は、実測による歪の変化値をコンピュータ上の応力解析に利用することによって、実物のインサート成形品の熱履歴を再現し、解析モデルに発生する内部応力を正確に取得することを可能としている。
【００１１】
前記実測工程における前記歪センサの取り付け位置は、前記第１の解析工程における解析結果に基づいて設定されることが好ましい。
第１の解析工程によって、任意の温度負荷条件下における解析モデルの歪や内部応力を求めることができるので、例えば、解析モデルにおけるインサート部材の歪の大きい箇所等を歪センサの取付位置として設定すれば、より大きな歪の変化値を取得することができる。
【００１２】
前記インサート成形品は、樹脂部材としてのプーリ本体と、このプーリ本体の内周側に配置されたインサート部材としての芯材と、からなるものであってもよい。
また、前記芯材は、転がり軸受の外輪であってもよい。また、歪センサは、外輪の内周面に形成された軌道に取り付けることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、実物のインサート成形品における歪の発生状況を加味した上でコンピュータを用いて正確な応力解析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る応力解析方法の解析対象となる樹脂製プーリの断面図である。
【図２】図１に示される樹脂製プーリのプーリ部材及び外輪を拡大して示す断面図である。
【図３】応力解析方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】第１の解析工程の手順を示すフローチャートである。
【図５】第２の解析工程の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る応力解析方法の解析対象となる樹脂製プーリの断面図である。樹脂製プーリ１０は、例えば自動車のタイミングベルト機構や補機駆動ベルト機構等に取り付けられて用いられる。樹脂製プーリ１０は、転がり軸受（アイドラ軸受）としての深溝玉軸受２と、その外周面に一体的に設けられた環状のプーリ本体１とを備えている。
【００１６】
深溝玉軸受２は、軸受鋼等の金属部材からなる外輪３と、この外輪３の径方向内方に配置される内輪４と、外輪３と内輪４との間に転動可能に設けられる複数の玉（転動体）５と、複数の玉５の周方向の間隔を保持する保持器６と、外輪３と内輪４との間の環状空間を密封する一対のシール部材７，８と、を備えている。
【００１７】
一方、プーリ本体１は、合成樹脂製であり、深溝玉軸受２の外輪３に一体化された内筒部１１と、外周面に複数の凸部１２ａが形成された外筒部１２と、内筒部１１と外筒部１２とを連結する連結部１３とを備えている。内筒部１１、外筒部１２、及び連結部１３は、射出成形等の金型成形によって一体成形される。プーリ本体１の成形素材は、例えば、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂にガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維を混入させたものを使用することができる。ただし、熱硬化性樹脂に限らず、熱可塑性樹脂を使用することも可能である。
【００１８】
深溝玉軸受２の外輪３とプーリ本体１とは、インサート成形によって一体化されている。すなわち、射出成形機における金型内に外輪３を固定するとともに、この金型のキャビティ内にプーリ本体１を構成する樹脂成形素材を射出し、この樹脂成形素材を硬化させることによって、プーリ本体（樹脂部材）１と外輪（インサート部材）３とが一体化されている。
【００１９】
外輪３とプーリ本体１とからなるインサート成形品は、硬化後、冷却されることによって熱収縮する。また、外輪３とプーリ本体１とは線膨張係数が互いに異なるため、冷却に伴う熱収縮量も異なっている。そして、この熱収縮量の相違によってインサート成形品には内部応力が発生する。
【００２０】
インサート成形品のうちプーリ本体１に生じる内部応力が過大であると、プーリ本体１にクラック等の破損が生じやすくなるので、樹脂製プーリ１０を設計するうえで、プーリ本体１に生じる内部応力を適切に把握することが極めて重要となる。その一方で、プーリ本体１における最大の内部応力の発生箇所は、外輪３と接触する内筒体１１の内周面付近であるため、当然にその最大の内部応力（歪）を実物から測定することはできない。
【００２１】
そのため、本実施の形態では、以下に説明するように、コンピュータを用いた解析（ＣＡＥ解析）によってプーリ本体１の内部応力を求めている。さらに、本実施の形態では、単なるＣＡＥ解析だけでなく、実物に生じた歪をも加味した上でＣＡＥ解析を行っている。以下、本実施の形態の応力解析方法について詳細に説明する。
【００２２】
図２は、図１に示される樹脂製プーリのプーリ本体及び外輪を拡大して示す断面図である。また、図３は、本実施の形態の応力解析方法の手順を示すフローチャートである。
図３に示されるように、本実施の形態の応力解析方法は、大まかに第１の解析工程（ステップＳ１）、実測工程（ステップＳ３）、及び第２の解析工程（ステップＳ４）を含んでいる。
【００２３】
ステップＳ１の第１の解析工程は、図２に示されるようなプーリ本体１と外輪３とを解析対象としてコンピュータ上でモデル化し、この解析対象のモデル（以下、「解析モデル」という）に対して有限要素法（ＦＥＭ）による解析（以下、「ＦＥＭ解析」という）を実行する。一般に、ＦＥＭ解析は、解析モデルを有限個の要素に分割し、各要素の節点における変位から各要素の歪や内部応力を求めるものである。
【００２４】
図４は、第１の解析工程の手順をさらに詳細に示すフローチャートである。第１の解析工程Ｓ１では、まず、ステップＳ１１において解析対象のモデルを作成する。すなわち、解析対象であるプーリ本体１及び外輪２に相当する樹脂領域及び金属領域を設定した解析モデルを作成する。また、樹脂領域及び金属領域のそれぞれについて物性（ヤング率やポアソン比等）を定義し、両領域の接触面に対しては摩擦係数等の接触要素を定義する。
【００２５】
ついで、ステップＳ１２において、作成した解析モデルに対する境界条件を設定する。具体的には、解析モデルにおける固定箇所や変位箇所等の拘束条件の定義や、温度負荷条件の定義等を行う。この温度負荷条件は、任意に設定することが可能であるが、好ましくはインサート成形後の冷却による温度変化とされ、典型的には成形温度（金型温度）とされる。また、ここで設定される温度負荷条件は仮のものであり、後述する第２の解析工程で求められる温度負荷条件の基準となるものである。
【００２６】
ステップＳ１３において、解析モデルの解析を実行する。この解析では、前述の温度負荷条件によって解析モデルの樹脂領域及び金属領域に生じた熱収縮に伴う各領域の歪や内部応力が求められる。
【００２７】
図３に戻って、ステップＳ２では、第１の解析工程の結果に基づいて実測による歪の測定箇所の選定を実施する。具体的に、この測定箇所は、次工程Ｓ３において、プーリ本体１及び外輪３からなるインサート成形品の実物（以下、単に「実物」ともいう）に対して実施される歪の測定箇所である。本実施の形態では、第１の解析工程で求められた金属領域の最大応力の発生箇所、又は、樹脂領域の最大応力の発生箇所（具体的には、金属領域との接触箇所）の近傍に位置する金属領域の特定の箇所が測定箇所として選定される。また、歪の測定箇所だけでなく歪の測定方向も併せて選定される。
【００２８】
金属領域に相当する外輪は、その内周面に凹状に形成された軌道の部分が最も薄くなるため、発生する歪も大きくなる。また、外輪の軌道は、樹脂領域に相当するプーリ本体の最大応力発生部位にも近い。そのため、本実施の形態では、外輪３の軌道３ａを歪の測定箇所としている。また、軌道３ａにおいては周方向に発生する歪が最も大きくなるので、歪の測定方向は周方向としている。
【００２９】
そして、ステップＳ３において、実物の外輪３の軌道３ａに歪センサ（歪ゲージ）２０を貼り付け、歪センサ２０の出力を取得する。具体的には、まず、プーリ本体１が一体化された状態での外輪３の軌道３ａに生じる歪を取得する。ついで、外輪３からプーリ本体１を除去し、外輪３単体となった状態で軌道３ａに生じる歪を取得する。
【００３０】
前述したように、外輪３にはインサート成形後の冷却工程等で生じる熱収縮でプーリ本体１から締付力を受け、この締付力によって歪（内部応力）が生じている。このため、プーリ本体１を除去すると外輪３には内部応力が解消する方向への歪が生じることになる。したがって、本実施の形態では、外輪３からプーリ本体１を除去する前の歪と後の歪との変化値を求める。この歪の変化値（第１変化値）は、インサート成形後の熱履歴を反映した歪であるといえる。
【００３１】
ついで、ステップＳ４において、ＦＥＭ解析による第２の解析を行う。図５は、第２の解析工程の手順を詳細に示すフローチャートである。この図５のステップＳ４１では、実測工程Ｓ３で取得された歪の第１変化値と、既に実施された第１の解析工程から取得される歪の第２変化値との比較を行う。この歪の第２変化値は、第１の解析工程で作成した解析モデルのうち、実測工程の歪の測定箇所である外輪３の軌道３ａに相当する箇所において、仮の温度負荷条件によって生じた歪の変化値（演算値）である。
【００３２】
実測工程で取得した歪の第１変化値と、第１の解析工程で取得した歪の第２変化値とを比較し、例えば、第２の変化値よりも第１の変化値の方が大きい場合、実物の外輪３に与えられていた温度負荷条件は、第１の解析工程で用いた仮の温度負荷条件よりも大きいと判断することができる。そして、第１の変化値と第２の変化値との比率を考慮すれば、実物の外輪３に与えられていた実際の温度負荷条件を仮の温度負荷条件から推定することが可能となる。ステップＳ４２では、このような考え方に基づき、歪の第１変化値と第２変化値との比率と、仮の温度負荷条件とから新たな温度負荷条件を設定する。
【００３３】
ついで、テップＳ４３では、新たな温度負荷条件を解析モデルに付与し、樹脂領域及び金属領域に生じる歪を求める。そして、ステップＳ４４では、ステップＳ４３で求められた解析モデルの軌道３ａに相当する位置の歪の変化値と、実測工程Ｓ３で求められた実測による歪の第１変化値とを比較する。そして、両変化値の乖離が小さい場合（例えば、両変化値の差が所定の閾値以下である場合）は、新たに設定された温度負荷条件が、実物に付与された温度負荷条件と実質的に同一であると判断する。逆に、当該乖離が大きい場合には温度負荷条件を見直す必要があるので、ステップＳ４２に戻って温度負荷条件の再設定を行う。
【００３４】
ついで、ステップＳ４５において、新たに設定された温度負荷条件によって解析モデルに生じる内部応力を取得する。ついで、図３に戻り、ステップＳ５において解析結果の評価を行う。例えば、第２の解析工程において樹脂領域に生じた最大応力が、実物のプーリ本体１の許容応力を超えないかどうか等の評価を行う。このような評価により、プーリ本体１に対してクラック等の破損が生じないような成形素材の選定や形状の設計等を行うことが可能となる。
【００３５】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で適宜変更することができる。
例えば、本発明の応力解析方法は、樹脂製プーリに限らず、樹脂製ギヤ、樹脂製ローラ、トルクセンサ等の各種インサート成形品を解析対象とすることができる。また、樹脂部材にインサートされるインサート部材は、金属に限らずセラミック等の他の部材であってもよい。また、コンピュータを用いて解析モデルの歪や応力を求める手法として、ＦＥＭ解析以外の他の手法を採用してもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１：プーリ本体（樹脂部材）、２：転がり軸受、３：外輪（インサート部材）、３ａ：軌道、１０：樹脂製プーリ、２０：歪センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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