JP2002039328A - ギアの疲労強度向上方法 - Google Patents

ギアの疲労強度向上方法

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JP2002039328A
JP2002039328A JP2001120227A JP2001120227A JP2002039328A JP 2002039328 A JP2002039328 A JP 2002039328A JP 2001120227 A JP2001120227 A JP 2001120227A JP 2001120227 A JP2001120227 A JP 2001120227A JP 2002039328 A JP2002039328 A JP 2002039328A
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gear
shot
tooth
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residual stress
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Heikichi Sai
秉 吉 崔
Tae Sung Jeong
泰 成 鄭
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Kia Corp
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Kia Motors Corp
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24CABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ショットピーニングを利用してギア表面に圧
縮残留応力を付与することによってギアの疲労強度を向
上させる方法を提供する。 【解決手段】 高圧エアーを利用してギア表面に多数の
ショットボールを投射するショットピーニング加工に際
し、ピーニング対象であるギア歯の歯元の円とインボリ
ュート曲線の接点(B)及びピーニング対象ギア歯に
隣接したギア歯の歯端円とインボリュート曲線の接点
(B)を連結する直線の方向に投射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はショットピーニング
を利用してギア表面に圧縮残留応力を付与することによ
ってギアの疲労強度を向上させる方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】技術の発達によって自動車または産業用
装置等に使われる機械部品に高い強度が要求されてい
る。これに伴い機械部品等の強度を向上させるための多
様な方法が提案された。基本的な機械部品の一つである
ギアの場合、その強度を向上させるためにショットピー
ニング(shot peening)が主に利用されて
いる。
【0003】ショットピーニングは多数のショットボー
ル(shot ball)を製品の表面に高速で投射し
て製品に圧縮残留応力を付与することによって、製品の
強度を向上させる方法である。ショットボールを投射す
るためにインペラまたはエアーノズルが使用されるが、
最近はエアーノズルを利用してショットボールを投射す
る方法がより多く採用される傾向にある。
【0004】図1はエアーノズルを利用してショットボ
ールを投射するショットピーニングによってギアを加工
する状態を概略的に示す斜視図である。図示されたよう
に、エアーノズル2には高圧エアー供給管3とショット
ボール供給管4が連結されており、エアーノズル2はギ
ア1に対向している。ショットボール供給管4を介して
ノズル2に供給されるショットボールはノズル2を介し
て噴射される高圧エアーの運動エネルギーによりギア1
の表面に向けて高速で投射される。
【0005】ショットボールが投射されギア1の表面に
高速で衝突すると、その衝撃によりギア表面に圧縮残留
応力が付与されることとなる。これによりギア1の強度
は向上し、特にギア1の作動時に力が加えられる歯元部
分の強度を増加することによりギア1の破損を防止し得
る。
【0006】ところが、前記のようにショットピーニン
グを利用してギア1の強度を向上させる従来のショット
ピーニング加工方法において、エアーノズル2から投出
されるショットボールはギア1の中心に向けて投射され
る。換言すれば、ショットボールは歯元の円やピッチ円
のようなギア円の接線と直交する方向に投射される。し
たがって、投射方向に対する直交対向面から傾斜するギ
ア歯の側面に付与される圧縮残留応力は、歯端面や歯元
面に付与される圧縮残留応力と比較して著しく弱い。
【0007】すなわち、図2に示されるように、ショッ
トボールは歯端面や歯元面に対して歯端面や歯元面のギ
ア円直径断面上において直交する方向に投射されるため
にショットボールが面に衝突する際に加えられる衝撃エ
ネルギー(E)は1/2・mvの大きさを有する。
一方、歯端面や歯元面のギア円直径断面上における直交
方向に対して角度θ傾斜するギア歯の側面には、投射角
度θにてショットボールが投射されることとなる。した
がって、ショットボールがギア歯の側面に衝突する際に
加えられる衝撃エネルギー(E)は1/2・mv
sinθの大きさを有する。すなわち、ギア歯の側面に
付与される圧縮残留応力は歯端面や歯元面に付与される
圧縮残留応力より弱い。その結果、圧縮残留応力の差に
よる変形により歯端面の両端、すなわちギア歯の外側縁
に突起が形成されていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このような従来のショ
ットピーニング加工方法により製造されたギアが作動す
る時、ギア歯の外側縁に形成された突起は、このギアと
噛合うギアの歯元面に反復的に干渉衝撃を加えて、ギア
の歯元面の破損を招きギアの寿命を短縮するという問題
点がある。
【0009】したがって、ギア寿命の短縮を防止するた
めに、ギア製造において、ショットピーニング工程後セ
ミトッピング(semi−topping)または研削
工程を通じて突起を除去しなければならない。この突起
除去には装備と作業人員の追加を要し、これによって製
造費用が増加し、生産性が低下する要因になる。
【0010】一方、ギアが作動する時、ギア歯の側面に
最も多くの力が加えられる。しかし、ギア歯の側面に付
与される圧縮残留応力の大きさが、ギア歯側面に比べて
少ない力が加わる歯端面に付与される圧縮残留応力の大
きさより小さいことから、ギア歯の側面に必要な水準の
強度を与えるためには、ショットピーニング工程におけ
るショットボール投射に長い時間を要する。したがっ
て、作業時間及びショットボールの消費量が増大し、シ
ョットピーニング装置の寿命が短縮されるなどの問題も
ある。
【0011】したがって、本発明はギア歯の側面に付与
される圧縮残留応力の大きさが歯端面に付与される圧縮
残留応力の大きさより大きく、且つ、ギア歯の外側縁に
突起が形成されることを防止可能であり、加工工程所要
時間を短縮し得るショットピーニングを利用したギアの
疲労強度を向上させる方法を提供することを目的とす
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するため、本発明によるギアの疲労強度向上方法は、高
圧エアーを利用してギア表面に多数のショットボールを
投射するショットピーニングによりギア表面に圧縮残留
応力を付与しギアの疲労強度を向上させる疲労強度向上
方法において、ピーニング対象であるギア歯の歯元の円
とインボリュート曲線の接点(B)と、ピーニング対
象ギア歯に隣接したギア歯の歯端円とインボリュート曲
線の接点(B)と、を連結する直線の方向にショット
ボールを投射することを特徴とする。
【0013】また、この方法において、投射する方向は
ピーニング対象であるギア歯の歯元の円とインボリュー
ト曲線の接点と(B)、ピーニング対象ギア歯に隣接
したギア歯の歯端円とインボリュート曲線の接点
(B)と、を連結する直線と0゜ないし15゜の角で
あることが好適である。
【0014】このような本発明のギアの疲労強度向上方
法によれば、従来のショットピーニング法におけるギア
歯軸心方向への投射に比較して、ピーニング対象ギア歯
の側面に対するショットボールの投射角度が大きく、且
つ、ピーニング対象ギア歯の側面と歯端面とに対するシ
ョットボールの投射角度に大差がなくなる。また、ピー
ニング対象ギア歯に隣接するギア歯の歯端面のB点へ
のショットボールの衝突を防ぐことができ、B点に衝
突したショットボールがBに向けて投射されたショッ
トボールに干渉し、影響を及ぼすことを最小限に留め
る。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるギアの疲労強
度向上方法の一実施の形態について、図面を参照して詳
細に説明する。
【0016】本発明者らはショットピーニング時に加工
面に対してショットボールが投射される角度と加工面に
付与される圧縮残留応力との関係を確認するための試験
を実施した。浸炭熱処理された平板状の鋼板(組織構
成:マルテンサイト80%、オーステナイト20%)の
表面に異なる投射角でショットボール(round c
ut wire type、直径0.6mm、HRC5
8〜62)を投射して、鋼板の表面に付与された圧縮残
留応力の大きさと深さを測定した。試験結果は下の表に
示した。
【表1】
【0017】ここで、加工面と直交する方向にショット
ボールが投射される時、加工面に付与される圧縮残留応
力は最も大きくて深く、投射角が小さくなるほど加工面
に付与される圧縮残留応力の大きさは小さくなり、その
深度も小さく(浅く)なることが確認された。一方、こ
れは運動エネルギーに関する式E=1/2・mv・s
inθからも理論的に立証される。
【0018】したがって、本発明によるショットピーニ
ングを利用したギアの疲労強度向上方法は、ショットピ
ーニング工程で、図3に示されたように、ギア歯の側
面、すなわちギアが作動する時大きい力が加えられる部
分に投射される角(β)が、歯端面または歯元面すなわ
ち比較的小さな力が加えられる部分に投射される角
(α)より大きい方向にショットボールを投射する。
【0019】これにより、ギア歯の側面に付与される圧
縮残留応力の大きさは、歯端面に付与される圧縮残留応
力の大きさと近似するか、幾分大きくなる。したがっ
て、ギア歯の外側縁が変形されてギア歯の外側縁に突起
が形成されることを防止し得るのである。
【0020】一方、このようなギア歯の側面のうちギア
が作動する時に最も強い力が加わる部分、すなわち歯元
点(B)の疲労強度を高める必要がある。したがっ
て、これを勘案した最適の投射方向は理論的に図4に示
されたようにピーニング対象であるギア歯のインボリュ
ート曲線と歯元の円の接点(B)と、ピーニング対象
ギア歯に隣接したギア歯のインボリュート曲線と歯端円
の接点(B)と、を結ぶ直線と平行な方向である。こ
の方向に、ショットボールを投射する時ギア歯の側面の
うち最も大きい力を受ける部分の疲労強度を最も大きく
することができる。
【0021】しかし、実際的に投射されたショットボー
ルのうち一部がB点に衝突して、その進行方向が変化
することによってB点に向かうショットボールの進路
を妨害する現象が発生することがあり、これを防止する
ためにB点に投射されるショットボールの進路におよ
ぼす影響が最小化できる方向にショットボールを投射す
ることが望ましい。
【0022】この方向はショットボールの大きさと硬
度、投射速度及び製品の形状等、多くの要素により決定
されるが、実験の結果、大部分のショットボールとギア
の諸円でB点とB点とを連結する直線に対して、ピ
ーニング対象ギア歯側面の歯元点B側に0゜ないし1
5゜の角をなす方向にショットボールを投射することに
よって、強い力が加わる歯元点(B)に付与される圧
縮残留応力の大きさは最大になることが判った。
【0023】
【発明の効果】したがって、BとBを連結する直線
に対して0゜ないし15゜の角をなす方向にショットボ
ールを投射することにより、ギア歯の側面に付与される
圧縮残留応力の大きさが歯端面に付与される圧縮残留応
力の大きさと近似しているか、又は、僅かに大きくな
る。すなわち、ギア歯の歯端面と側面とに付与される圧
縮残留応力に顕著な差がなくなるため、従来のようにギ
ア歯の外側縁に突起を生じることを防止でき、それによ
りショットピーニング工程後に突起を除去するためのセ
ミトッピングまたは研削工程を実施する必要がない。
【0024】さらに、ギア歯の側面、特に歯元点
(B)に付与される圧縮残留応力の大きさが最大にな
ることから、ギア歯の側面に必要な疲労強度を得るため
にのに所要される時間を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のエアーノズルショットピーニングを利用
してギアの疲労強度を向上させる方法の概要を模式的に
示した斜視図である。
【図2】従来の方法においてショットボールの投射方向
を模式的に示す断面図である。
【図3】本発明によるショットピーニングを利用したギ
アの疲労強度向上方法において、ショットボールの投射
角を設定する過程を模式的に示す断面図である。
【図4】本発明によるショットピーニングを利用したギ
アの疲労強度向上方法において、ショットボールの投射
角を設定する過程を模式的に示す断面図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高圧エアーを利用してギア表面に多数の
    ショットボールを投射するショットピーニングによりギ
    ア表面に圧縮残留応力を付与しギアの疲労強度を向上さ
    せる疲労強度向上方法において、ピーニング対象である
    ギア歯の歯元の円とインボリュート曲線の接点(B
    及び前記ピーニング対象ギア歯に隣接したギア歯の歯端
    円とインボリュート曲線の接点(B)を連結する直線
    の方向に前記ショットボールを投射することを特徴とす
    るギアの疲労強度向上方法。
  2. 【請求項2】 前記投射する方向は前記直線と0°ない
    し15°の角であることを特徴とする請求項1に記載の
    ギアの疲労強度向上方法。
JP2001120227A 2000-07-18 2001-04-18 ギアの疲労強度向上方法 Withdrawn JP2002039328A (ja)

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