JP2004308665A

JP2004308665A - 歯車

Info

Publication number: JP2004308665A
Application number: JP2003098450A
Authority: JP
Inventors: Naoto Hayashida; 直人林田
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】歯面におけ潤滑油の保持率を高めて歯面相互間に充分な油膜を形成し歯車の動力伝達効率を向上する。
【解決手段】歯面の表面粗さの算術平均粗さをＲａとし、最大高さをＲｙとし、スキューネスをＲｓｋとしたときに、歯面のスキューネスＲｓｋを−１以下とし、最大高さＲｙを３以下とし、Ｒｙ／Ｒａを６〜１２とする。歯面の表面粗さをこの範囲に設定することにより、面圧強度が向上するとともに歯面に形成される多数の谷の溝幅が潤滑油の保持性を確保することができる幅となり、歯面が摺動接触する際には谷の部分から潤滑油が摺動面に補充されて歯面相互の摩擦係数を小さくすることができる。これにより、歯面の耐焼き付け性と耐摩耗性が向上するとともに歯車の動力伝達効率が向上する。
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は歯面の摩擦係数を低減することにより駆動側歯車から被駆動側歯車に対する動力伝達効率を向上し得るようにした歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
駆動側回転軸に設けられた駆動歯車と、被駆動側回転軸に設けられた被駆動歯車とを噛み合わせることにより、対をなす２つの歯車を介して駆動側回転軸の回転は被駆動側回転軸に伝達される。それぞれの歯車としては、平歯車、傘歯車およびハイポイド歯車などがあり、車両用の動力伝達装置に組み込まれる歯車は伝達トルクが大きいので、このような歯車の歯面には大きな面圧が加わることになり、歯面の強度を高める必要がある。一方、歯車を介して駆動側回転軸から被駆動側回転軸に対して動力を伝達する時には対をなす歯車相互間の歯面が滑り接触するので、駆動歯車から被駆動歯車に対する動力伝達効率は、歯面に加わる面圧と歯面の摩擦係数とに大きく依存している。特に、駆動歯車と被駆動歯車の回転中心軸が相互に交わらずかつ平行でもないハイポイド歯車は歯面の滑り量が大きいので、面圧のみならず歯面の摩擦係数を低減することが動力伝達効率を向上する上で重要な要素となっている。摩擦係数を低減するには、歯車対の歯面間に潤滑油膜が所望の厚みで形成されるようにする必要がある。
【０００３】
歯面強度を高めるために、特許文献１に記載されるように、歯面の表面粗さの偏りであるスキューネス（Ｒｓｋ）を規定するようにした技術が提案されている。また、特許文献２に記載されるように、軸受の転動体と内外輪の転動面の表面粗さをスキューネス（Ｒｓｋ）に加えて二乗平均粗さにより規定するようにした技術が提案され、特許文献３に記載されるように、カムローラの転がり接触面の粗さを、中心線高さＲｐと中心線深さＲｖとの比および粗さの最大高さにより規定するようにした技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１２７７１０号公報
【０００５】
【特許文献２】
特許第２７２４２１９号公報
【０００６】
【特許文献３】
国際公開ＷＯ９７／１９２７８号パンフレット
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
対をなす歯車の歯面は、軸受のローラと内外輪との間のような転がり接触ではなく、摺動して接触することになる。このため、従来のように歯面の表面粗さをスキューネス（Ｒｓｋ）で規定した場合には、歯面の強度を保持することが可能であっても、歯面の摺動抵抗つまり摩擦抵抗を低減することや耐焼き付け性の向上には限度があった。特に、車両の動力伝達装置に使用されるハイポイド歯車は、前述のように、歯面の滑り量が大きいので、接触面積を増加させて面圧を低下させるだけでなく、歯面の摩擦係数を低減することが、動力伝達効率を低減し、ひいてはエンジンの燃費を低減する上で重要な要素となっている。
【０００８】
そこで、本発明者により歯面の接触面積を増加させて所望の歯面強度を維持しつつ歯面の摩擦係数を低減して歯車の動力伝達効率を高めるべく、種々の研究と実験が行われた。その結果、スキューネスに加えて、歯面の表面粗さの最大高さＲｙと算術平均粗さＲａとの比（Ｒｙ／Ｒａ）を所定の範囲に規定することにより、歯面強度を保持しつつ潤滑油の保持率を高めることができるということが判明した。
【０００９】
本発明の目的は、歯面における潤滑油の保持率を高めて歯面相互間に充分な油膜を形成し歯車の動力伝達効率を向上するとともに耐焼き付け性、耐摩耗性を向上することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の歯車は、対をなす他の歯車が噛み合う歯車であって、前記歯車の歯面の表面粗さの算術平均粗さをＲａとし、最大高さをＲｙとし、スキューネスをＲｓｋとしたときに、前記歯面の前記スキューネスＲｓｋを−１以下とし、前記最大高さＲｙを３以下とし、Ｒｙ／Ｒａを６〜１２とすることを特徴とする。また、本発明の歯車は、前記歯車をハイポイド歯車とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、歯車の歯面の表面粗さを上述した範囲に設定することにより、歯面の接触面積を増加させて面圧を低下させることにより面圧強度が向上するとともに、歯面に形成される多数の谷の溝幅が潤滑油の保持性を確保することができる幅となり、歯面が摺動接触する際には谷の部分から潤滑油が摺動面に補充されて歯面相互の摩擦係数を小さくすることができる。これにより、歯面の耐焼き付け性と耐摩耗性が向上するとともに歯車の動力伝達効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は歯車の一例であるハイポイド歯車を示す斜視図であり、図１には駆動側回転軸１０に設けられたハイポイドピニオン歯車１１と、図示しない被駆動側回転軸に設けられたハイポイドリング歯車１２とが噛合って歯車対となった状態が示されており、一方の歯車が第１の歯車になり、他方の歯車が第２の歯車になる。この歯車対が車両の動力伝達装置に使用されるときには、駆動側回転軸１０は変速機出力軸に連結され、ハイポイドリング歯車１２はデファレンシャルのケースに取り付けられることになる。ハイポイドピニオン歯車１１の回転中心軸Ｏ１と、ハイポイドリング歯車１２の回転中心軸Ｏ２は、偏心量Ｅだけずれて直角となっており、回転中心軸が相互に交わらずかつ平行ともなっておらず、動力伝達時の歯面の滑り量が、平歯車や傘歯車の歯面に比して大きくなっている。
【００１３】
図２（Ａ），（Ｂ）は歯面の表面粗さの一般例を示す粗さ曲線であり、このような表面粗さを示す基本的ファクターとしては、算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚおよび二乗平均粗さＲｑがある。算術平均粗さＲａは、以下の式（１）により表される。なお、この式（１）においてＹｉは平均線ｍからの偏差を示す。
【００１４】
【数１】

最大高さＲｙは、図２（Ａ）に示されるように、粗さ曲線からその平均線ｍの方向に基準長さＬだけ抜き取って、この抜き取り部分の山頂線Ｒｐと谷底線Ｒｖとの間隔の合計値を示す。
【００１５】
十点平均粗さＲｚは、図２（Ｂ）に示されるように、粗さ曲線から平均線ｍの方向に基準長さＬだけ抜き取って、この抜き取り部分の最も高い山頂から５番目までの山頂の標高Ｙｐの絶対値の平均と最も低い谷から５番目までの谷底の標高Ｙｖの絶対値の平均値であり、以下の式（２）により表される。また、二乗平均粗さＲｑは、平均値のまわりの二次モーメントであって、表面粗さの分散を示す指標であり、以下の式（３）により表される。
【００１６】
【数２】

【００１７】
【数３】

上述した二乗平均粗さＲｑと平均線からの偏差Ｙｉにより、スキューネスＲｓｋが以下の式（４）により定義され、さらにクルトシスＲｋｕが以下の式（５）により定義される。
【００１８】
【数４】

【００１９】
【数５】

このスキューネスＲｓｋは、平均値のまわりの三次モーメントをＲｑ^３で正規化した値であり、表面粗さの平均線ｍに対する偏り、つまり平均値のまわりの非対称性を示す指標である。一方、クルトシスＲｋｕは、平均値まわりの四次モーメントをＲｑ^４で正規化した値であり、波形の尖鋭度を示す指標である。
【００２０】
図３（Ａ）はスキューネスＲｓｋが負の場合の表面粗さの一例を示す粗さ曲線図であり、図３（Ｂ）はスキューネスＲｓｋが正の場合の表面粗さの一例を示す粗さ曲線図である。これらの比較から分かるように、スキューネスＲｓｋが負の表面粗さは山の幅が大きくなって表面の面積が増加するので、歯面をこのような表面粗さにすると、歯車の接触面積が増加して面圧強度が高くなる。しかしながら、スキューネスＲｓｋが負となる表面粗さに設定しただけでは、谷の溝幅が小さすぎて谷の中での潤滑油の保持性を確保することができない。
【００２１】
図４（Ａ）〜図４（Ｅ）はクルトシスＲｋｕを相違させた場合の表面粗さの変化を模式的に示す粗さ曲線図であり、クルトシスＲｋｕの値が大きくなると、粗さ曲線の尖鋭度が大きくなり、多くの谷部が形成され潤滑油を充分に捕捉することができる。
【００２２】
ところで、表面粗さの最大高さＲｙと算術平均粗さＲａとの比（Ｒｙ／Ｒａ）とクルトシスＲｋｕとには一定の相関関係がある。図５は前述した比（Ｒｙ／Ｒａ）とクルトシスＲｋｕとの関係を示す相関特性図であり、Ｒｙ／Ｒａの値が大きくなるとクルトシスＲｋｕの値も大きくなり、最大高さＲｙと算術平均粗さＲａとを求めると、クルトシスＲｋｕを求めることができる。
【００２３】
発明者は、図１に示すように、相互に噛み合うハイポイドピニオン歯車１１とハイポイドリング歯車１２のうち一方または双方の歯面の接触面積を大きくして歯面強度を確保しつつ潤滑油の保持性を高めることができる表面粗さを求めた。表面粗さを調整することによって、歯面の接触面積を増加させて面圧強度を高めつつ潤滑油の保持性を高めることができると、歯面の摩擦係数μを小さくすることができ、結果的に歯車の動力伝達効率ηを高くし、さらに歯車の耐焼き付け性や耐摩耗性を向上することができる。
【００２４】
図６はそれぞれハイポイド歯車からなる多数の歯車対について測定した表面粗さと歯車の動力伝達効率との関係を示す実験データであり、縦軸はスキューネスＲｓｋを示し、横軸はＲｙ／Ｒａを示す。図６においては、動力伝達効率ηが設定値以上になった場合を白抜き三角で示し、動力伝達効率ηが設定値以下になった場合を黒塗り四角で示している。この実験結果から、動力伝達効率ηが所定値以上になるスキューネスＲｓｋは−１以下であることが判明した。
【００２５】
図７は動力伝達効率ηを向上させることができる歯面粗さを示す断面図であり、図７（Ａ）はスキューネスＲｓｋを負に設定した場合の表面粗さを示す。このようにスキューネスＲｓｋを負に設定しただけでは、谷の溝幅が大きく、数が少なくなってしまい、その中で潤滑油を捕捉することができない。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、最大高さＲｙを変化させることなく、谷の溝幅を小さくしかつ谷の数を増やせば、潤滑油を充分に保持することができることになる。これにより、摩擦係数μを小さくすることが可能となり、動力伝達効率ηを高めることができる。図７（Ｂ）に示す表面粗さは、スキューネスＲｓｋを負に設定するとともに、算術平均粗さＲａを小さくしてＲｙ／Ｒａの値を図７（Ａ）よりも大きくすることにより設定される。このように、Ｒｙ／Ｒａの値を大きくするとクルトシスＲｋｕの値が大きくなり、面圧強度を高めつつ潤滑油の保持性が向上して摩擦係数μを小さくすることができる。これに加えて、最大高さＲｙを小さくすれば、図６（Ｂ）に示される波形が相似的に小さくなり、さらに摩擦係数μを小さくすることができる。
【００２６】
このような観点から種々の表面粗さと歯車の動力伝達係数ηとの関係を実験により求めたところ、図８および図９に示す結果が得られた。これらの実験では、歯面の接触面積を確保するために駆動歯車と被駆動歯車の一方のスキューネスＲｓｋを−１に設定した。
【００２７】
図８は歯車の動力伝達効率ηと│Ｒｓｋ│×Ｒｙ／Ｒａとの関係を示す実験データであり、伝達効率ηは図８においてａ点に達するまでは、大きく一定値Ｃに向けて増加し、ａ点を過ぎると、ほぼＣの値に漸次接近した。このａ点のＲｙ／Ｒａの下限値は６であり、この値を６以上に設定すると、η＝Ｃの値に漸次接近するが、歯面の加工効率を考慮すると、１２以下が限度であり、この値は６〜１２の範囲に設定される。
【００２８】
図９は歯車の動力伝達効率ηと│Ｒｓｋ│／Ｒｙとの関係を示す実験データであり、伝達効率ηは図９においてｂ点に達するまでは、大きく一定値Ｃに向けて増加し、ｂ点を過ぎると、ほぼη＝Ｃの値に漸次接近した。このｂ点の値となる最大高さＲｙの上限値は、スキューネスの絶対値が１であるので、Ｒｙ＝３であった。最大高さＲｙをこれよりも小さい値とすると、η＝Ｃの値に漸次接近する。
【００２９】
このように、歯面の表面粗さの算術平均粗さをＲａとし、最大高さをＲｙとし、スキューネスをＲｓｋとしたときに、ハイポイドピニオン歯車１１とハイポイドリング歯車１２の少なくとも一方の歯車の歯面のスキューネスＲｓｋを−１以下とし、前記最大高さＲｙを３以下とし、Ｒｙ／Ｒａを６〜１２とすることにより、歯面強度を維持しつつ歯面の摩擦係数を低減して歯車の動力伝達効率を高めることができる。なお、両方の歯車１１，１２の歯面を同様の条件の表面粗さとしても良い。
【００３０】
図１０は図７（Ｂ）に示す表面粗さの歯車を加工するための歯車の製造方法を示す工程図であり、歯車素材をホブ盤を用いたホブ切り、あるいはピニオンカッタやラックカッタを用いた歯切りにより歯車素材から歯車が切削加工される。ホブ切りはホブと歯車素材との相対運動によって歯車を削り出すようにした創成歯切り法であり、ホブは円筒面上にラックの歯形をした切れ刃がねじ状に形成された工具で、このホブの回転とともに一定の比率で歯車素材を回転させ、同時にホブを歯車軸方向に送ることにより歯車の創成歯切りが行われる。歯車のうち歯筋がねじれた曲線となっているハイポイド歯車は、環状カッタを用いた創成歯切りや、円錐ホブを用いた創成歯切りにより機械加工される。
【００３１】
歯車素材を創成歯切りにより加工された歯車は、歯面に所定の厚みの表面硬化層を形成するために浸炭焼き入れ処理され、その後に、疲労強度向上のためショットピーニング処理が行われる。ショットピーニング処理が行われた後には、歯面の歯形を形成するためにラッピング加工が行われる。その後歯面粗さ形状を出すためのバレル研磨仕上げなどの仕上げ研磨加工が行われる。なお、この仕上げ研磨加工としては、バレル研磨加工の他に電解研磨、化学研磨あるいは鏡面ショットピーニング加工などによって行っても良い。この仕上げ研磨によって、歯面強度向上に不利となる表面の粒界酸化層が除去されるとともに、歯形の精度が向上する。鏡面ショットピーニング加工は、弾性担体に粒子が付着された複合粒子を歯面に傾斜させて吹き付ける加工であり、ラッピング加工やバレル研磨によっても同様に粒界酸化層の除去を行うことができる。
【００３２】
従来では、歯面が仕上げられた後には、回転伝達時に対となる２つの歯車を噛み合わせた状態で回転させることにより、噛合い面を平坦になじませる処理つまりラッピング処理を行った後に、リューブライト処理つまり表面にリン酸塩被膜を形成する化学処理を行って歯車の初期なじみ改善を行っていたが、本発明の歯車にあっては、このリューブライト処理が不要となる。
【００３３】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、実施の形態では図１に示すハイポイド歯車に本発明を適用した場合を示すが、平歯車や傘歯車などの他の歯車の歯面を同様に加工するようにしても良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、歯面の接触面積が増加して面圧が低下し面圧強度が向上するとともに、歯面に形成される多数の谷の溝幅が潤滑油の保持性を確保することができる幅となり、歯面が摺動接触する際には谷の部分から潤滑油が摺動面に補充されて歯面相互の摩擦係数を小さくすることができる。これにより、歯面の耐焼き付け性と耐摩耗性が向上するとともに歯車の動力伝達効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】歯車の一例であるハイポイド歯車を示す斜視図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は歯面の表面粗さの一般例を示す粗さ曲線である。
【図３】（Ａ）はスキューネスＲｓｋが負の場合の表面粗さの一例を示す粗さ曲線図であり、（Ｂ）はスキューネスＲｓｋが正の場合の表面粗さの一例を示す粗さ曲線図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｅ）はクルトシスＲｋｕを相違させた場合の表面粗さの変化を模式的に示す粗さ曲線図である。
【図５】表面粗さの最大高さＲｙと算術平均粗さＲａとの比（Ｒｙ／Ｒａ）とクルトシスＲｋｕとの関係を示す相関特性図である。
【図６】多数の歯車対について測定した表面粗さと歯車の動力伝達効率との関係を示す実験データである。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は本発明の表面粗さを持つ歯面を示す断面図である。
【図８】歯車の動力伝達効率ηと│Ｒｓｋ│×Ｒｙ／Ｒａとの関係を示す実験データである。
【図９】歯車の動力伝達効率ηと│Ｒｓｋ│／Ｒｙとの関係を示す実験データである。
【図１０】本発明の表面粗さを持つ歯車を加工するための歯車の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１１ハイポイドピニオン歯車（歯車）
１２ハイポイドリング歯車（歯車）

Claims

対をなす他の歯車が噛み合う歯車であって、
前記歯車の歯面の表面粗さの算術平均粗さをＲａとし、最大高さをＲｙとし、スキューネスをＲｓｋとしたときに、前記歯面の前記スキューネスＲｓｋを−１以下とし、前記最大高さＲｙを３以下とし、Ｒｙ／Ｒａを６〜１２とすることを特徴とする歯車。
請求項１記載の歯車において、前記歯車をハイポイド歯車とすることを特徴とする歯車。