CN103038548A

CN103038548A - 自由曲面齿轮

Info

Publication number: CN103038548A
Application number: CN2010800676423A
Authority: CN
Inventors: 大冈三茂; 川崎芳树; 下村满彦
Original assignee: O Oka Corp
Current assignee: O Oka Corp
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: US20130091970A1; CN103038548B; WO2011161742A1; US9091338B2; EP2584224A1; JP5520374B2; EP2584224A4; EP2584224B1; JPWO2011161742A1

Abstract

本发明的目的在于提供一种变速器用齿轮，可制作齿面不限于渐开线曲面，齿底面不限于余摆线曲面，而使上述面为自由曲面的齿轮，通过降低齿面的啮合点附近的赫氏应力，提高表面压力疲劳强度，通过降低齿底面的齿根附近的弯曲应力提高弯曲疲劳强度，抑制齿轮噪音的产生。其特征在于，齿面由使啮合节点附近的最小曲率半径为极大的自由曲面构成，且齿底面由使齿根附近的最小曲率半径为极大的自由曲面构成。

Description

自由曲面齿轮

技术领域

本发明涉及一种用于汽车、建筑机械、工业机械等的变速器用的齿轮，特别是直齿轮或斜齿轮的齿面形状。直齿轮的情况，其齿面由摆线曲面、余摆线曲面、外旋曲面、外摆曲面、圆弧曲面、涡旋曲面的各单独曲面构成，或者由使这些包含渐开线曲面中选择的曲面进行组合的的多个曲面构成。斜齿轮的情况下，其齿面由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面的各单独曲面构成，或者由使这些包含渐开线螺旋曲面中选择的曲面进行组合的多个曲面构成。另一方面，齿面的TIF（之后描述）以下的齿底面由摆线曲面、余摆线曲面、外旋曲面、外摆曲面、圆弧曲面、涡旋曲面的各单独曲面构成。以下统称构成这些齿面或齿底的单独的曲面，或复合曲面为自由曲面。本发明申请是，自由曲面通过热锻或冷锻形成，首先，齿面的啮合节圆附近的最小曲率半径极大使表面压力疲劳强度提高的同时，齿根附近的最小曲率半径极大化从而提高弯曲疲劳强度的变速器用的齿轮。

参照图12说明上述齿轮用语。放大齿廓并用立体图表示，定义各部位的名称如下。斜齿1包括：符号A~A’之间的齿顶面11；在其左右，符号A~B之间的齿面12；符号B~B’之间的齿底面13；以及齿端面14和齿根16。在这里，符号A、A’为齿轮彼此啮合的终点，是齿面12和齿顶面11的边界点；符号B、B’为齿轮彼此相互啮合的起始点，相当于齿根16，是齿面12和齿底面13的边界点。啮合节点P位于齿面的符号A~B之间，连结各齿廓的啮合节点P的圆弧为啮合节圆径（Mating Pich Circle Dia），以下称作PCD。齿底面13的符号B、B’之间的最低点标为符号D，将连续连结各齿廓的符号D点的圆弧称为齿底径R。连续连结各齿根的符号B、B’的圆弧为最小啮合渐开线径（True Involute Fillet Dia），以下称作TIF。其他还有类似称为分度圆径的用语，其为齿轮固有特征，是将齿轮单体的齿数乘以垂直于轴的模数得到的，与另一配合齿轮无关。与此不同，PCD为连续地连结将啮合的一对齿轮的中心距以齿数比的反比分配的点的线，在该PCD的啮合节点P处，齿轮彼此啮合，做滚动运动，从而可视为一对齿轮相互滚动而不产生滑动运动。当该一对齿轮在该啮合节点P处啮合时，表面压力最大，会产生微小的剥离损伤（pitching）等，从而缩短齿轮的寿命。另外，所谓最小曲率半径是指，在啮合节点P的附近处的多个曲面中，曲率半径最小者。其余，称齿根的符号B和齿底的符号D之间的曲面为齿根附近。

背景技术

在现有技术中，使用切削加工法形成齿廓，最初，在传动机构领域采用的齿轮，其具有基于惠更斯钟摆时钟发明的旋转角度误差小的摆线曲面。但是，虽然该摆线齿轮具有旋转角度误差小，适合于钟表齿轮的优点，但其曲面复杂导致切削工具的形状复杂，且切削每个齿时都需要耗时多。随着时代的发展，在产业革命中需要大量的用于传动的齿轮，因而不具有量产性的摆线齿轮随之消失。因此开发了适于量产的基于直线切削方法的齿切削技术，得到齿面为渐开线曲面，齿底为余摆线曲面的齿轮。图13为该齿轮的垂直于轴的截面图。目前，已实用的大部分齿轮都是基于该方法加工而成的，由于工具为简单的直线状的齿条插刀，因此其加工的齿面限于渐开线曲面，齿底限于余摆线曲面，而不能制得其他的曲面。现有的基于直线刀具切削加工法来制造齿轮的方法整理如下，通过调整刀具的切入量可以简单的改变齿厚并能控制齿根的强度。利用容易制作的直线状的齿条插刀可以加工渐开线曲面。即使如上得到的上述渐开线齿轮与组合齿轮的中心距存在差异，也可以使得齿轮间隙保持一定，以缓解震动、声音的冲击。而且，只要法线间隔相同，则对齿轮规格没有限制可以自由组合。由于由渐开线曲面形成的齿轮在使用时可能发生移位，而通过稍微改变齿轮的轴间距就可以使得相邻齿轮正确啮合，因此渐开线曲面齿轮具有上述等的优点。但是，由于渐开线曲面齿轮在彼此啮合时，在旋转运动中存在滚动和滑动，当在旋转时有滑动的情形下会产生旋转角度误差，并因渐开线曲面彼此滑动而产生噪音。由于齿面是渐开线曲面，则不能使啮合点附近的赫氏应力极小，存在表面压力疲劳强度弱等的问题。其余，由于通过直线刀具切削方法在制作渐开线齿轮时，齿底限于余摆线曲面，因此在几何学上难以增大齿根附近的曲率半径。尤其是，汽车用变速器的齿轮，由于对齿根强度要求高，且该齿根部的应力集中，因此用直线刀具切削方法制得的齿轮难以实现变速器的小型化、轻量化。另一方面，即使现代NC加工技术有了长足的进展，也难以制作可用于加工渐开线或余摆线以外的曲面的剔齿工具。如果将观点改变为通过锻造成型形成齿廓，则随着NC加工技术的进步可生产具有任何形状的模具，通过使用该模具进行锻造成型，可以得到渐开线曲面或余摆线曲面以外的自由曲面、或三维曲面。另外，钟表用的齿轮的齿面、齿底均由摆线曲面形成。还有，泵用的齿轮的齿面、齿底均由余摆线曲面形成。

以基于现代NC技术的模具制作技术进步为背景，为提高齿轮的强度，对齿面或齿底的形状进行改进提出了以下的方案。例如，渐开线齿轮中，不损害其的旋转传导功能而提高其齿的强度，将各齿面的整体区域按照，包括相邻齿面的接触点的轨迹沿其伸展的带状的接触区域，和位于其外侧位置的非接触区域分开。以渐开线螺旋线形成接触区域，作用于相对于对方齿轮的齿面的齿的表面上。非接触区域为，具有不与对方齿轮的齿面接触的形状，对于上述整体区域以渐开线螺旋线形成时的基本齿面形状赋予该渐开线齿轮的齿的强度直接或间接的朝向上方被变更的形状。例如，对于齿宽方向的两侧的基本齿顶形状，使齿顶下降的同时，相对于齿宽方向的两侧的基本齿底形状，使齿底隆起（参照专利文献1）。另外对于其他的齿底形状提出如下方案。以提供齿根部分的强度优化的高强度齿轮为目的，其第一要点为，渐开线齿轮等中，齿根部分的形状形成为不是基于齿廓制成理论形状的齿廓。第二要点为，齿底形成为，通过齿廓制成理论外的齿底曲面避免应力集中而得到的齿底面。第三要点为，在经过锻造加工法之后，还要通过压造加工法、精整加工法等形成上述齿廓。第四要点为，所述齿廓对于齿廓中心或齿底中心左右非对称形成。第五要点为，对于齿廓中心或齿底中心，齿底形成左右不同的形状。第六要点为，在所述齿廓内部，通过所述锻造加工法、压造加工法、精整加工法等形成连续的纤维流程（纤维组织）（参照专利文献2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本发明专利公开第-77号公报

专利文献2：日本发明专利公开第平8-13号公报

综上所述，总的来说现有的齿轮存在以下问题。

将视线转向渐开线齿轮的齿面，相邻齿轮相互啮合时，相邻的渐开线齿面边滑动边旋转从而产生旋转角度误差的同时，由于相邻的渐开线齿面的滑动而容易产生噪音，或容易产生磨损。由于齿面为渐开线曲面，曲率半径不能增大而啮合点附近的赫氏应力极大化，导致表面压力疲劳强度较低等的问题。另一方面，将视线转向渐开线齿轮的齿底，由于是余摆线曲面，齿底部的曲率半径增大具有几何学的极限，因为在齿根部应力集中所以降低了弯曲疲劳强度。由于以上两个理由，使用直线刀具制成切削加工法的渐开线齿轮难以应对的变速器的小型化、轻量化，而且难以应对齿轮噪音的降低。

发明内容

本发明着眼于以上的问题，其目的在于提供一种变速器用齿轮，其基于近代的NC加工技术制作具有自由曲面的锻造模具，通过生产性优异的锻造成型，可以实现使齿面不限于渐开线曲面、齿底面不限于余摆线曲面，而可使上述面做成自由曲面，以降低齿面的啮合点附近的赫氏应力，从而提高表面压力疲劳强度，并通过降低齿底面的齿根部的弯曲应力提高弯曲疲劳强度，并且，抑制齿轮噪音的产生。

近年来由于NC加工技术的进步，可以得到任何曲面的模具，由于该模具适用于锻造成型，具有自由曲面的齿轮得到了瞩目。本发明人为了使齿面的啮合节圆附近的曲面的最小曲率半径、或齿底面的最小曲率半径极大，经历了反复的实验失败，实现了齿廓部位最佳且表面压力强度和弯曲强度的好的齿轮。根据现有技术知识总结得到本发明的变速器用齿轮，第一实施方式的发明的变速器用齿轮，其特征在于，齿面由使啮合节点附近的最小曲率半径为极大的自由曲面构成，且齿底面由使齿根附近的最小曲率半径为极大的自由曲面构成。第二实施方式的发明为，根据第一实施方式述的变速器用齿轮，其特征在于，由所述齿面构成直齿轮或斜齿轮。第三实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，或由组合上述曲面及渐开线螺旋曲面中的任意3种而成的复合曲面构成。第四实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，所述齿面，由摆线曲面、余摆线曲面、外旋线曲面、外摆线曲面、圆弧曲面或涡旋线曲面各单独曲面构成，或由组合上述曲面及渐开线曲面中的任意3种而成的复合曲面构成。第五实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，且由实施偏差修形后的螺旋曲面构成。第六实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，且被实施有使中部凸出的鼓形修形，或者实施有使齿顶面宽度在齿线方向上一端变细的锥形修形。第七实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，且，实施有使中部凹陷的鼓形修形。第八实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，所述齿底由圆弧曲面构成。第九实施方式的发明为，根据第一实施方式的变速器用齿轮，其特征在于，由热锻以及冷锻成型。

在齿轮的齿面形成单独或复合自由曲面，降低齿面的赫氏应力，从而可改善表面压力疲劳强度，并且，通过避免齿底面的应力集中，从而改善弯曲疲劳强度。通过在齿面形成单独或复合自由曲面，可消除噪音，并且由于使啮合节圆附近的齿面的最小曲率半径极大，因此减少了齿面的剥离或剥落。即，通过任意选择并组合自由曲面，可使齿面的最小曲率半径极大，并且可使齿底的最小曲率半径极大，可提高齿面的表面压力疲劳强度和齿底的弯曲疲劳强度。另一方面，从生产性来说，采用热锻和冷锻成型加工法生产上述齿轮的生产性好，适合于大量生产。

附图说明

图1表示实施例1的斜齿轮的立体图。

图2为由单独的自由曲面构成的齿面和齿底面的截面图。

图3为由实施例2的复合自由曲面构成的齿面和齿底面的截面图。

图4为对实施例3的齿面偏差修形的自由曲面构成的齿廓的立体图。

图5为对齿面偏差修形的自由曲面构成的齿廓的立体图。

图6为在实施例4中的齿面实施使中部突出的鼓形修形的齿廓的立体图。

图7为在实施例5的齿顶面实施锥形修形的锥形修形齿廓的立体图。

图8为对实施例6的齿面实施使中部凹陷的鼓形修形的齿廓的立体图

图9为在实施例7的外周具有斜齿，在内侧具有爪形离合器齿的变速器用齿轮的立体图。

图10表示变速器用齿轮的制造过程的工序图。

图11表示使用热锻加工形成齿廓的实施例的示意图。

图12为齿轮用语的说明图。

图13为现有例的齿廓的截面图。

附图标记说明

A、A’、B、B’、C、D、A1、A2、B1、B2、L：符号

M：膨胀量

N：凹陷量

S1：大宽度，S2：小宽度

P:啮合节点

PCD：啮合节圆直径

R：齿底直径

TIF：最小啮合渐开线直径

LPC：全展开长度

D1：大直径部，D2：小直径部

BR：R倒角

P1、P3：锻锤，P2、P4：心轴，P5：顶出器

Q1、Q2、Q3、Q4：冲模

T1、T2：齿廓

W：变速器用齿轮

W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8：材料

W21:凸部，W31：内径部，W32：锻造法兰，W33：内部倒角

1：斜齿

10：粗斜齿

11：齿顶面

12：齿面

13：齿底面

14：齿端面

15：凸起

16：齿根

2：爪形离合器齿

20：粗爪形离合器齿

23：切角

3、3’：轴孔

30：粗轴孔

4：沉槽

40：粗沉槽

41、42：槽开口角度

5、5’：锥台体

50：锥台体

51、51’：前端面

8：法兰

具体实施方式

以下，根据附图所示本发明的实施例具体说明本发明的实施方式。实施例1

在本实施例中，以直齿轮或斜齿轮为对象，参照图1、2进行说明。图1为本实施例的变速器用齿轮的立体图。图2为单独的由自由曲面构成的齿廓的截面图。

图1表示本实施例的变速器用齿轮，以下说明齿轮的各部分的名称。变速器用齿轮W外周的斜齿1包括，沿齿线方向的齿顶面11；位于其左右的齿面12；突出设置有上述部分的齿底面13和齿线方向上下端的齿端面14、14；以及齿根16。在此，对齿线方向相对于齿轮的转轴方向扭转的斜齿1齿面进行说明。

图2表示斜齿1外周的齿廓的通常截面，齿面和齿底由各自独立的自由曲面1构成，整体齿廓包括多个自由曲面。图1中说明的齿轮各部分的名称与该图2的符号对应关系如下。包括，符号A~A’之间的齿线方向的齿顶面11；形成在其左右侧的符号A~B之间的齿面12；表示齿根的符号B~B’之间的齿底面13。符号A、A’为齿轮彼此啮合的终点，是齿面12和齿顶面11的边界点；符号B、B’为齿轮彼此啮合的起始点，相当于齿根16，是齿面12和齿底面13之间的边界点。本自由曲面1的齿廓曲面，符号A~B之间由单独的摆线螺旋（cycloidhelicoid）曲面构成，符号B~B’之间的齿底面13由单独的圆弧构成。在摆线螺旋曲面和圆弧曲面的连接处具有公切线，形成无拐点的连续的线。但是，在低于连结齿根符号B、B’的连接线TIF（参照图12）的齿底处，即使齿根的壁厚变薄有些像被底切、或具有非连续性，也要优先将最小曲率半径极大化。根据上述齿轮，通过使齿廓的垂直于轴的截面为如上所述曲面，可具有如下效果。首先，在由圆弧曲面构成的齿底面，由于曲率半径极大，因此可避免应力集中，而提高弯曲强度。同样地，由于在旋转运动中齿面为滚动运动的摆线螺旋曲面，因此在齿面的啮合变得非常顺畅。由于曲面的曲率半径变大赫氏应力下降，因此啮合节点P附近的剥离损伤强度或表面压力疲劳强度提高，以使不易在此附近发生齿面塌陷、剥离等。对于齿轮噪音这方面，与现有的渐开线螺旋曲面的情形相同，在使用上没有问题。

与上一段说明的齿廓不同，同样参照图2说明齿面为其他的自由曲面的齿廓。在该自由曲面2的齿廓曲面中，符号A~B之间为单独的余摆线螺旋曲面，符号B~B’之间的齿底面13为单独的圆弧曲面构成。此外，齿面也可以是圆弧螺旋曲面、蜗旋螺线曲面、三维坐标曲面各单独的曲面。在直齿轮的情形下，齿面可以是摆线曲面、余摆线曲面、外旋曲面、外摆曲面、圆弧曲面、涡旋曲面的各单独的曲面。齿底面13为单独的圆弧曲面，以下的实施例也同样。根据该齿轮，通过使齿廓的截面为如上所述曲面，可具有以下效果。首先，在由圆弧曲面构成的齿根处，由于齿底部的曲率半径极大，可避免应力集中，而提高弯曲强度。另一方面，对于齿面，在啮合节点P的附近的剥离强度方面，与现有的渐开线螺旋曲面的情形相同，在使用上没有问题。同样，在齿面啮合方面，与现有的渐开线螺旋曲面的情形相同，在使用上没有问题。在啮合顺畅性方面，因为齿面由余摆线螺旋曲面构成，所以比现有的渐开线螺旋曲面的情形要差。

实施例2

本实施例以直齿轮或斜齿轮为对象，参照图3说明直齿轮的情形。与本实施例与实施例1的不同点是，齿面由复合的自由曲面构成。以下主要说明与实施例1的不同之处。图3表示与图2不同的垂直于轴的截面，齿面为复合自由曲面，齿底为单独的自由曲面，整体的齿廓为复合自由曲面3。该自由曲面3的齿廓曲面中，齿面包括三种复合曲面，即，符号A~C之间为外旋曲面、符号C~C’之间为摆线曲面、符号C’~B之间为余摆线曲面。另一方面，符号B~B’之间的齿底为单独的圆弧。符号A~C之间是齿顶侧称作齿顶曲面，符号C~C’之间称作啮合节点附近，符号C’~B之间是齿根侧称作齿根曲面。由于齿面为曲面，因此以由直线长度表示的全展开长度（Length of Point Contact,以下称作LPC）来表现齿面，则将符号A~B之间的LPC记为符号L。对啮合节点附近进行如下定义。啮合节点附近是指在啮合节点P的两侧正负0.1L的范围。啮合节点P的两侧的符号C、C’是距离啮合节点P的直线距离为0.1L的点。根据上述齿轮，由于在齿廓的垂直于轴的截面由如上所述曲面构成，而具有以下效果。首先，在由圆弧构成的齿底面，由于齿底部的曲率半径极大，因此在抗弯强度非常好。在啮合节点P附近的抗剥离强度方面，与现有的渐开线曲面的情形相同，使用上没有问题。同样，在齿面的啮合方面，与现有的渐开线曲面相同，使用上没有问题。在啮合的顺畅性方面，由于齿面由余摆线曲面构成，因此比现有的渐开线曲面要差。

参照图3，对齿面同样为复合自由曲面，且与上一段所述的齿廓不同，齿面为另一自由曲面的齿廓进行说明。在本自由曲面4的齿廓曲面中，符号A~C之间为余摆线曲面、符号C~C’之间为摆线曲面、符号C’~B之间为外旋曲面。另一方面，符号B~B’之间的齿底面为单独的圆弧曲面。根据上述齿轮，由于齿廓的垂直于轴的截面由上述曲面构成，而具有以下效果。首先，在由圆弧构成的齿底面，由于齿底部的曲率半径极大，因此抗弯强度非常好。同样，由于齿面为在旋转时发生滚动接触的摆线曲面，因此齿面啮合非常顺畅。由于齿面的曲率半径变大，赫氏应力降低，因此啮合节点P的附近的抗剥离强度好，在此附近不易发生齿面塌陷、剥落等。在齿轮噪音方面，与现有的渐开线曲面的情形相同，在使用上没有问题。

参照图3，对齿面同样为复合的自由曲面，且与上一段所述的齿廓不同，齿面为另一自由曲面的齿廓进行说明。在本自由曲面5的齿廓曲面中，符号A~C之间为渐开线曲面、符号C~C’之间为摆线曲面、符号C’~B之间为余摆线曲面。另一方面，符号B~B’之间的齿底面由单独的圆弧曲面构成。根据上述齿轮，由于齿廓的垂直于轴的截面由上述曲面构成，而具有以下效果。首先，在由圆弧曲面构成的齿底面，由于齿底部的曲率半径极大，因此具有非常好的抗弯强度。同样，由于齿面是在旋转运动中做滚动接触的摆线曲面，因此齿面的啮合非常顺畅。由于齿面的曲率半径变大，赫氏应力下降，因此啮合节点P的附近的抗剥离强度好，在此附近不易发生齿面塌陷、剥落等。同样，由于齿面的齿顶侧为渐开线，在齿轮的噪音方面表现良好。此外，齿面由将选自摆线曲面、余摆线曲面、外旋曲面、渐开线曲面、外摆曲面、圆弧曲面、涡旋曲面的任意3种曲面组合的复合曲面形成。在斜齿轮的情况下，齿面由将摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、渐开线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺旋曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面中任意3种曲面组合的复合曲面构成。

以上，参照图2和3所示的齿廓的截面，对各齿廓的特征进行了说明。与齿面由单独的曲面构成的图2相比，从齿轮的实用性上考虑优选齿面由复合的曲面构成的图3。

实施例3

本实施例以斜齿轮为对象。对其齿面进行偏差修形（biasmodification），而形成带扭转角度的螺旋曲面。参照图4、5进行说明。本实施例与实施例1或实施例2的不同点为，对齿面进行了偏差修形。图4为齿面内偏差（bias in）修形后的由自由曲面的齿廓立体图。图5为齿面外偏差（bias out）修形后的由自由曲面的齿廓立体图。

在说明齿廓之前对齿轮用语进行说明。扭转齿面有两种方法，内偏差修形或外偏差修形。内偏差修形齿轮是通过对齿轮进行扭转修形，以使钝角侧齿顶滞后（歯先下がり），并使锐角侧齿顶提前(歯先上がり)而得到的。该齿轮适用于DIN标准7~9级精度差的齿轮。另一方面，外偏差修形的齿轮是通过对齿轮进行扭转修形，以使锐角侧齿顶滞后，并使钝角侧的齿顶提前而得到的。该齿轮适用于DIN标准4~6级精度高的齿轮。

首先，图4表示对外周斜齿1实施偏差修形后的齿面，齿廓为内偏差的自由曲面6。图中的双点划线为未进行偏差修形的齿廓。实线为本实施例的内偏差曲面，由符号A1、A2、B2、B1包围的齿面是，对由双点划线表示的未经修形的齿廓施以偏差修形后的内偏差齿轮的齿面。偏差修形后，使符号A1侧齿顶滞后为锐角，使符号A2侧齿顶提前为钝角。该图4的自由曲面6的齿廓曲面中，齿面由单独的自由曲面构成，由符号A1、A2、B2、B1包围的齿面为摆线螺旋曲面。该内偏差齿轮的特点是在齿面的齿轮噪音方面非常优异。该内偏差的自由曲面6，比本发明的实施例1和2的齿轮的噪音特性好，并优选为摆线螺旋曲面。其理由为，齿轮彼此啮合时，在旋转运动时整体齿面滚动接触，无相对滑动。内偏差齿轮，其齿面精度差，可通过后述的热锻或冷锻形成实用的齿面。另外，也可以是余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺旋曲面、被采用于凸轮表面的三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面。对此，以下图5所示的外偏差的齿面也同样。

图5表示对外周斜齿1实施偏差修形后的齿面，齿廓为外偏差的自由曲面7。图中的双点划线为未进行偏差修形的齿廓。实线为本实施例的外偏差曲面，由符号A1、A2、B2、B1包围的曲面是，对由双点划线表示的未经修形的齿廓施以偏差修形后的外偏差齿轮的齿面。偏差修形后，使符号A1侧齿顶滞后为钝角，使符号A2侧齿顶提前为锐角。该自由曲面7的齿廓曲面中，齿面由单独的自由曲面构成，由符号A1、A2、B2、B1包围的齿面为摆线螺旋曲面。为了使齿廓精度好，根据情况利用研磨对本实施例的外偏差齿廓进行齿廓加工。在进行齿面研削达到齿廓精度的情形下，该外偏差齿轮的特点是在齿面的齿轮噪音方面非常优异。

以上，在对实施例1和2的齿面实施偏差修形的实施例3中，对由自由曲面的齿廓的情形进行了说明。在使用本发明的汽车的变速器领域，降低齿轮噪音是长期的课题。通过对实施例1的齿面进行偏差修形，可弥补变速器壳体的刚性不足，并能吸收轴线准直误差，或吸收齿轮彼此的啮合变动，提高旋转的顺畅性并降低齿轮噪音。选择内偏差齿廓和外偏差齿廓时考虑以下几点。内偏差齿廓，其齿面精度低，保持啮合的齿数的啮合率低，适合于变速器壳体的刚性低的情形，并可实用。另一方面，外偏差齿廓，其齿面精度高，啮合率较高，适合于变速器壳体的刚性较高的情形。在考虑以上情况时，在实施例1、实施例2以及实施例3中，本实施例的内偏差齿廓是解决齿轮噪音的最理想的齿廓，并且可通过后的热锻或冷锻量产该内偏差齿廓，可实现实用的变速器用齿轮。通过使用具有该齿面的齿轮，由于负荷变动少，因此降低了施加于支撑齿轮轴的轴承上的震动，降低了齿轮噪音。通过减少负荷变动，使得齿面的抗剥离性以及齿根附近的弯曲强度好。

实施例4

以直齿轮或斜齿为对象，参照图6说明本实施例。本实施例的与实施例1、2或实施例3的不同点是，对齿面实施使中部突出的鼓形修形。图6为齿面呈中部凸出的中部凸出鼓形修形齿廓的立体图。

图6表示实施有中部凸出的鼓形修形的斜齿轮齿面，由自由曲面8构成。图中的双点划线为未进行中部凸出的鼓形修形的齿廓。实线为本实施例的使中部凸出的鼓形修形后的齿面，是由符号A1、A2、B2、B1包围的曲面。该图中，在连结啮合节圆P、P的线上，凸出量M例如为1~50μm。在该自由曲面8的齿廓曲面中，齿面由单独的自由曲面构成，由符号A1、A2、B2、B1包围的齿面为摆线螺旋曲面。此外，可以是余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺旋曲面、凸轮面中所使用的三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独的曲面。在直齿轮的情形下，齿面可以是摆线曲面、余摆线曲面、外旋曲面、外摆曲面、圆弧曲面、涡旋曲面各单独曲面。对于下述实施例5的直齿轮或斜齿轮也同样，可由上述曲面构成齿廓。根据该自由曲面8，由于在齿面实施有使中部凸出的鼓形齿廓，与现有的渐开线曲面的齿轮相比，啮合节点附近的抗剥离强度表现良好。具体来说，在齿面中，通过使啮合节点P的曲率半径极大，可以降低赫氏应力，提高抗剥离强度。另一方面，在齿底，在使齿底面的最小曲率半径极大时最优选本自由曲面8的该部分为圆弧，其在齿根附近弯曲强度好。在中部凸出的鼓形齿轮彼此啮合时，可防止齿面彼此的边缘接触（edge contact；片当たり），因此震动小，并可减小齿轮噪音。由于可以减轻支撑齿轮轴的轴承的负荷变动，因此在赛车等的特殊车辆用途中，在冲击强度或共振方面具有优势。进而，在四轮驱动车辆或电动车辆的用途中，由于高减速比大而作用于齿面的冲击负荷大，因此要避免边缘接触。此时，通过对该自由曲面8采用使中部凸出的鼓形修形，可以对边缘接触进行修正。

实施例5

以直齿轮或斜齿轮为对象，参照图7说明本实施例。本实施例与实施例4的不同点是，对齿顶面实施锥形修形。图7为齿顶面的宽度尺寸一端变小并倾斜的锥形修形齿廓的立体图。

图8表示在齿顶面实施锥形修形的斜齿轮的齿面，齿廓由称为锥形修形齿的自由曲面9构成。在这里，锥形通常是对称的，但也包括非对称锥形的齿廓。图中的双点划线为未实施锥形修形的齿廓。实线为本实施例的锥形修形齿廓，由符号A1、A2、B2、B1包围的齿面为摆线螺旋曲面。齿顶面11在齿线方向从纸外方向向纸内方向形成前端变细的锥形，纸外方向侧的大宽度S1和纸内方向侧的小宽度S2的差为例如1μm~0.5mm。与现有的渐开线曲面的齿轮彼此啮合的情形相比，在使该自由曲面9的实施有锥形修形的锥形修形斜齿轮与和通常的斜齿轮相互啮合时，可避免因壳体刚性不足引起的边缘接触，并使齿接触靠近中央，因此抗弯强度良好。

实施例6

本实施例以斜齿轮为对象。参照图8进行说明，对齿面实施使中部凹陷的鼓形修形，且具有形成扭转角的螺旋曲面的情形。本实施例与实施例4或5的不同点为，啮合齿轮组的各转轴不平行，相互交叉。该图为对齿面实施使中部凹陷的中部凹陷鼓形齿廓的立体图。

图8表示使中间凹陷的齿面，齿廓由称为中部凹陷鼓形齿的自由曲面10构成。图中的双点划线为未进行使中部凹陷修形的齿廓。实线为本实施例的中部凹陷鼓形修形的齿面，由符号A1、A2、B2、B1包围的曲面为齿面。在连结该图中啮合节圆P、P的线上，凹陷量N例如为1μm~0.5mm。该自由曲面10的齿面由单独的自由曲面构成，其中优选摆线螺旋曲面。另外，还可以是余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺旋曲面、凸轮面中使用的三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面。与现有的渐开线曲面的齿轮彼此啮合的情形相比，在使本实施例的中部凹陷鼓形齿轮与中部凸出鼓形齿轮啮合时，齿面接触增大，由此可提高传动效率，并减少啮合时的变动负荷，减少传动力损失。

实施例1、2、3、4、5、6以及7中所采用的自由曲面定义如下。自由曲面1包括图2所示摆线螺旋曲面和圆弧曲面。自由曲面2包括该图所示余摆线螺旋曲面和圆弧曲面。自由曲面3包括图3所示外旋曲面、摆线曲面、余摆线曲面以及圆弧曲面。自由曲面4包括该图所示余摆线曲面、摆线、外旋曲面以及圆弧曲面。自由曲面5包括该同图所示渐开线曲面、摆线曲面、余摆线曲面以及圆弧曲面。自由曲面6为内偏差齿轮，包括图4所示摆线螺旋曲面以及圆弧曲面。自由曲面7为外偏差齿轮，包括图5所示摆线螺旋曲面以及圆弧曲面。自由曲面8为中部凸出鼓形齿轮，包括图6所示摆线螺旋曲面以及圆弧曲面。自由曲面9为锥形修形齿轮，包括图7所示摆线螺旋曲面以及圆弧曲面。自由曲面10为中部凹陷鼓形齿轮，包括图8所示摆线螺旋曲面以及圆弧曲面。

实施例7

在本实施例中参照图9～11进行说明，其将实施例1、2、3、4、5或6所述各种自由曲面的齿廓用于变速器用齿轮。在本实施例中，热锻是指半封闭加工法，冷锻是指精整（sizing）加工法或精压（coining）加工法。图9为，外周具有斜齿，内侧具有爪形离合器齿的变速器用的沉槽斜齿轮（沈みヘリカル歯車）的立体图。图10为表示沉槽斜齿轮的制造过程的工序图。图11为，表示通过热锻形成齿廓的实施方式的示意图。沉槽斜齿轮是指，本申请人开发，内侧的爪形离合器齿的齿根，在轴向上比外周斜齿的齿端面低的齿轮。

以下对齿廓为自由曲面的沉槽斜齿轮的锻造加工进行说明。本实施例的沉槽斜齿轮的详细形状如图9所示，外周的斜齿1，其齿线相对于轴向形成扭转，在其内周侧形成爪形离合器齿2。对于斜齿1以及爪形离合器齿2，及齿轮各部位的名称定义如下。首先，斜齿1具有，齿线方向的齿顶面11；其左右的齿面12、12；用于突出设置上述部分的的齿底面13和齿线方向上下端的齿端面14、14；以及齿根16。爪形离合器齿2具有，齿线方向的齿顶面21；其左右的齿面22、22；顶端呈尖状的切角23。在斜齿1和爪形离合器齿2之间以同心圆状形成有凹陷的沉槽4，爪形离合器齿2的齿根24下陷设置于沉槽4的底面，并从底面竖起形成。即，与斜齿1呈同心圆状配置的内侧爪形离合器齿2在轴向上从斜齿1的齿端面14下沉。在爪形离合器齿2的内周侧同轴状地突出设置圆锥台状的锥台体5，其内周轴孔3上下贯通。外周的斜齿1和沉槽4的内侧的爪形离合器齿2以及该内周侧的锥台体5分别通过同轴热锻和冷锻而一体成型。

根据图10的工序图说明上述沉槽斜齿轮的制造过程。首先，如工序（1）所示，使用例如剪切机将适用于齿轮的圆柱材料按照规定的轴长切断得到材料W1。此时，作为材料的材质可以使用，例如SC钢、SCR钢、SCM钢、SNC钢、SNCM钢等。其次，如工序（2）所示，材料W1加热到例如℃，通过实施热锻得到具有向下侧突出凸部W21的圆盘状的材料W2。其次，如工序（3）所示，对材料W2上段的大直径部D1的部位进行热锻，粗加工形成相对于轴向扭转的粗斜齿10，同时对下段的小直径部D2的部位形成锥台体50，并在外周粗斜齿10和内周锥台体50之间以同心圆状形成粗沉槽40。在锥台体50的内周陷入形成截面圆形的内径部W31，通过形成粗斜齿10而得到具有在上表面外周突出呈圆板状的凸缘状的锻造法兰W32的材料W3。接着，如工序（4）所示，同样使用热锻，得到在锥台体50的外周加工形成凹陷的沉槽4，并形成有在齿根设于该底面的粗爪形离合器齿20成的材料W4。其次，如工序（5）所示，得到对材料W4的上表面的锻造法兰W32的一部分和内径部的内部凸台冲压，贯通形成粗轴孔30的材料W5。工序（6）中，车削去除材料W5的上表面的锻造法兰W32，并实施退火热处理、喷砂处理以及涂润滑剂的磷化处理，得到材料W6。在下一工序（7）中，通过对外周的粗齿10进行冷加工和精压成型直接形成齿面，并对齿端面的棱线部实施R倒角。另一方面，对内周的粗爪形离合器齿20进行精压成型直接形成齿面，并在齿顶形成切角，得到材料W7。在下一个工序（8）中，对外侧的粗斜齿进行基于冷加工和精压成型的冷锻对齿面进行鼓形修形，并对齿端面的棱线部实施R倒角，完成斜齿1。在最后的工序（9）中，在工序（7）对直接成型的粗爪形离合器齿，利用冷锻进行加工形成从倒角向齿根变细的反锥状，而完成爪形离合器齿2。总结以上的工序，工序（2）、（3）、（4）以及（5）为热锻，工序（7）、（8）以及（9）为冷加工和精压成型的冷锻。参照图8进一步详细说明基于后述热锻的工序（3）以及工序（4）的形成齿的过程。

参照图11说明工序（3）中形成齿过程。在该工序中，为了形成具有自由曲面的齿廓而实施热锻。热锻是指，在封闭的模具的空间中放入材料，用锻锤压入该材料形成具有期望齿廓的齿轮的锻造方法，以下对沉槽斜齿轮的成型进行详细说明。工序（3）表示将材料W2设置于模具，使用热锻形成斜齿的工序。在上部右半部分的图（a）表示上锻锤P1及其内侧中单独上下的心轴P2，右半部分图（b）表示材料W2，右半部分的图（c）表示冲模Q1及其内周的冲模Q2。冲模Q1的上表面QT具有阶梯升到高处，上锻锤P1下降击打材料W2时，由冲模Q1和上锻锤P1对材料W2形成封闭状态。上锻锤P1、心轴P2落在下方凹陷的冲模Q1、冲模Q2的正上方的位置。在冲模Q1的上部形成有斜齿的齿廓T1，将材料W2安置于冲模Q1和冲模Q2的组合模具上，从上方降下上锻锤P1击打材料W2。此时，材料W2的外径部D1压入斜齿形成用的齿廓T1而形成粗斜齿10。此时在齿廓T1设置有自由曲面，将该自由曲面转写至材料W2形成粗斜齿10。即，使用热锻对粗斜齿10形成自由曲面。该工序（3）中，在粗斜齿10的内侧以同心圆状形成凹陷状态的粗沉槽40，而得到材料W3。在下一个工序（4）中，形成粗爪形离合器齿20，在材料W4中，在外周的粗斜齿10和内周的粗爪形离合器齿20之间以同轴状凹陷形成该沉槽40。

直接形成粗斜齿10的情形下，虽然可以从冲模Q1拔出，但由于需要使扭转斜齿10的齿的部分相对于冲模Q1旋转，因此不能向正上方拔出。在此，可以在冲模Q1和内侧的冲模Q2的下方可伸出地设置顶出器P5，在该外周具有使上述斜齿齿廓T1和引导器相同的斜齿引导（ヘリカルガイド）T3。在本实施例中，使顶出器P5在冲模Q1的下方旋转，并且，使其螺旋升降，以强制使成型的粗斜齿10旋转，从而可高效率地将其取出。以上，可以利用工序（3）的形成粗斜齿10的过程，由热锻对斜齿形成所期望的自由曲面。在以后的工序（8）中，通过对外侧的粗斜齿10进行基于冷精整和精压成型的冷锻，而形成具有自由曲面的齿廓。

工业上的利用可能性

本发明的自由曲面齿轮不限于汽车的变速器的用途，也可适用于齿轮泵、钟表，建筑机械、工业机械等各种动力传动装置的齿轮。

Claims

1.一种变速器用齿轮，其特征在于，

齿面由使啮合节点附近的最小曲率半径为极大的自由曲面构成，且

齿底面由使齿根附近的最小曲率半径为极大的自由曲面构成。

2.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

由所述齿面构成直齿轮或斜齿轮。

3.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，或

由组合上述曲面及渐开线螺旋曲面中的任意3种而成的复合曲面构成。

4.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

所述齿面，由摆线曲面、余摆线曲面、外旋线曲面、外摆线曲面、圆弧曲面或涡旋线曲面各单独曲面构成，或

由组合上述曲面及渐开线曲面中的任意3种而成的复合曲面构成。

5.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，且

由实施偏差修形后的螺旋曲面构成。

6.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

被实施有使中部凸出的鼓形修形，或者

实施有使齿顶面宽度在齿线方向上一端变细的锥形修形。

7.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

所述齿面，由摆线螺旋曲面、余摆线螺旋曲面、圆弧螺旋曲面、涡旋螺线曲面、三维坐标曲面、外旋螺旋曲面、外摆螺旋曲面各单独曲面构成，且，

实施有使中部凹陷的鼓形修形。

8.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

所述齿底由圆弧曲面构成。

9.根据权利要求1所述的变速器用齿轮，其特征在于，

由热锻成型。