JP2005221040A - 歯車及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速で回転させたとしても、相手材との摺動による温度上昇を抑制しつつ、振動や騒音を少なく抑えることが可能であり、加えて、耐久性にも優れた歯車法を提供する。
【解決手段】金属からなる歯車本体２を備え、この歯車本体２の少なくとも噛み合い歯面３に、プラスチック層４及びダイヤモンドライクカーボン薄膜５を順次積層して形成し、ダイヤモンドライクカーボン薄膜５の厚さを１〜４μｍとした。歯車本体２の噛み合い歯面３に形成したプラスチック層４の表面に、規則的な微細凹部形状の加工溝を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、減速機に使用される歯車に係わり、特に、高速回転用として用いるのに好適な歯車に関するものである。

環境問題への対応から、今後はモータを駆動源とする自動車が増大するものと予測される。このモータ駆動車に用いられる減速機用の歯車は、数万回転にもおよぶモータの回転をコンパクトに減速する必要があるため、高速回転するのに伴なって振動や騒音が生じることが懸念されている。

従来において、この振動や騒音を抑える対策として、例えば、歯車の素材に繊維強化したプラスチックを用いる手段がある。この手段は、プラスチックが低弾性であることを利用して噛み合い時の衝撃や発生した振動を減衰させると共に、プラスチックが軽量であることを用いて回転慣性力を小さく抑えようとするものである。

特開昭６０−２０６６２８号公報 特開平０６−０９１７７０号公報

ところが、上記したように、減速機用の歯車は極めて高速で回転するので、相手材との摺動に伴なう発熱も非常に大きいものとなり、その結果、素材に熱伝導が悪いプラスチックを用いた歯車では、そのプラスチック中に蓄積された熱によって歯車表面の温度がガラス繊維の耐熱温度を超えてしまい、強度が急激に低下することがないとは言えないという問題があった。

また、プラスチックは剛性が低いことから、回転が高速になるのにしたがって歯のたわみが大きくなり、特に、歯元部における摩耗が加速される可能性があり、こうした変形や摩耗が進むことで、スカッフィングや減肉による折損が生じる恐れがあるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、高速で回転させたとしても、相手材との摺動による温度上昇を抑制しつつ、振動や騒音を少なく抑えることが可能であり、加えて、耐久性にも優れた歯車及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の歯車は、金属からなる歯車本体を備え、この歯車本体の少なくとも噛み合い歯面には、プラスチック層及びダイヤモンドライクカーボン薄膜が順次積層して形成してある構成としたことを特徴とし、さらには、歯車本体の噛み合い歯面に形成したプラスチック層の表面には、規則的な微細凹部形状の加工溝が形成してある構成としたことを特徴としており、この歯車の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の歯車の製造方法は、請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の歯車を製造するに際して、金属からなる歯車本体を形成した後、この歯車本体の少なくとも噛み合い歯面に射出成型によりプラスチック層を形成すると共に歯面研削加工を施して歯面形状を整え、続いて、上記歯面形状を整えた噛み合い歯面をＣＶＤ法によってダイヤモンドライクカーボン薄膜で被覆する構成とし、さらには、プラスチック層の表面の規則的な微細凹部形状の加工溝の形成は、被加工物である歯車と噛み合う面上に所望の規則的な突起形状を有する転造治具を用いて行う構成としたことを特徴としており、この歯車の製造方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の歯車によれば、歯車本体を熱伝導がよく剛性が高い金属からなるものとしているため、相手材と摺動する面で生じた熱を良好に伝えて温度の上昇を少なく抑えることができると共に、例え温度が上昇したとしても歯の倒れによる歯あたりの悪化を防ぐことが可能であり、加えて、歯車本体の噛み合い歯面にプラスチック層及びダイヤモンドライクカーボン膜を順次形成しているので、例え相手材と摺動する面で油膜切れが生じたとしても、フリクションが少ない分だけ発熱を抑えることができると共に、硬度が高い分だけ発熱による変形を阻止し得るという非常に優れた効果がもたらされる。また、プラスチック層の表面に、規則的な複数の微細凹部形状の加工溝を形成すれば、金属接触し易い低速度域ではダイヤモンドライクカーボンがフリクションを低減させ、油膜が形成される高速度域では表面の微細凹部形状がフリクションを低減させることから、焼き付きを防止できるという優れた効果がもたらされる。

一方、本発明の歯車の製造方法では、プラスチック層に対して歯面研削加工を施すことで歯面の最終形状を決定するようにしているので、極めて簡単に歯面の最終形状を整えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。また、本発明の歯車の製造方法では、加工溝の形成を転圧加工にて行えば、加工溝形状の精度と生産性が特に高いという優れた効果がもたらされる。

本発明の歯車において、プラスチック層は、必ずしも歯車本体の噛み合い歯面の全体に形成することはない。例えば、歯車本体の噛み合い歯面のピッチ点よりも歯先側のみにプラスチック層を形成するようにしてもよく、この場合には、プラスチック層による噛み合いはじめの衝撃吸収効果が得られるのに加えて、熱が溜まり易く且つ負荷による磨耗が厳しい歯元では歯車素材としての金属及びダイヤモンドライクカーボン薄膜という構成になるので、歯車の耐久性がより一層向上することとなる。

また、本発明の歯車において、ダイヤモンドライクカーボン薄膜が薄すぎると、厚さの斑により下地が露出する恐れがあり、一方、ダイヤモンドライクカーボン薄膜が厚すぎると、下地との機械的性質の差から早い段階で剥離し易くなることから、ダイヤモンドライクカーボン薄膜の厚さは１〜４μｍとすることが望ましい。加えて、ダイヤモンドライクカーボン薄膜の厚さを１〜４μｍとすると、歯面の最終形状はプラスチック層の形状に依存することとなる、すなわち、プラスチック層に対する歯面研削加工で歯面の最終形状を決定することができ、したがって、容易に歯面の最終形状を整えることが可能となる。

さらに、本発明の歯車において、プラスチック層の表面に規則的な複数の微細凹部形状のクロスハッチ又はディンプルの加工溝を形成した場合には、高速で回転させたとしても相手材との摺動による温度上昇を抑制できると共に、振動や騒音を少なく抑えることが可能であり、加えて、耐久性にも優れていて、加工溝を形成する際の精度及び生産性も高い。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

まず、以下に示す仕様の歯車本体を種々の金属材料（ベース材）で製作した。すなわち、実施例１，４，６，９では歯車本体をＳ４５Ｃ調質材（機械構造用炭素鋼）で製作し、実施例２及び７では歯車本体を真鍮で製作し、実施例３及び８では歯車本体をＡ４０３２（Ａｌ−Ｓｉ系アルミ合金）で製作し、実施例５及び１０では歯車本体をＦＣＤ４００（球状黒鉛鋳鉄）で製作した。なお、相手材にはＳ４５Ｃ調質材から成るものを用いた。

［歯車の仕様］
モジュール ： ２．５
歯数 小ギア／大ギア ：２９／３０
圧力角 ：２０°
ねじれ角 ：７°

この場合、上記実施例１〜１０の歯車の歯車本体は、いずれもホブカッターによって成型したが、本発明において、後の工程で歯車本体の歯面上に形成するプラスチック層に対して歯面研削加工を施すことで歯面形状の精度を決めるようにしているので、歯車本体対しては厳しい形状精度は要求されない。したがって、製造コストの低減を図る場合には、鋳造や鍛造などによって歯車本体を形成してもよい。

上記実施例１〜３，５〜１０において、図１に部分的に示すように、歯車１における歯車本体２の噛み合い歯面３の全体に、射出成型によって厚さ１〜２ｍｍのプラスチック層（ＰＥＥＫ；ポリエーテルエーテルケトン）４を形成した。

また、上記実施例４において、図２に部分的に示すように、歯車１における歯車本体２の噛み合い歯面３のピッチ点Ｐよりも歯先３ａ側のみに、射出成型によって厚さ１〜２ｍｍのプラスチック層４Ａを形成した。

そして、各実施例１〜５において、歯車本体２のアニーリング（焼きなまし）の後、歯車本体２に形成したプラスチック層４（４Ａ）に通常の歯面研削加工を施して歯面形状を整え（加工溝形状Ｃ）、続いて、上記歯面形状を整えた噛み合い歯面３にＣＶＤ法によってダイヤモンドライクカーボン薄膜５を形成した。

また、各実施例６〜１０において、歯車本体２のアニーリング（焼きなまし）の後、歯車本体２に形成したプラスチック層４（４Ａ）に歯面研削加工を施して歯面形状を整え、実施例６〜８では、転圧加工にて図３および図４に示すような摺動方向との交差角度が１５°、溝幅０．５ｍｍ、深さ０．３ｍｍのクロスハッチ形状（加工溝形状Ａ）、実施例９〜１０では、図４および図５に示すような摺動方向と長径方向を直交させた楕円形（長径１ｍｍ、短径０．３ｍｍ、深さ０．３ｍｍ）のディンプル形状（加工溝形状Ｂ）のそれぞれ所定の微細加工溝を付与した後、噛み合い歯面３にＣＶＤ法によってダイヤモンドライクカーボン薄膜５を形成した。

上記実施例１〜１０では、プラスチック層４（４Ａ）にＰＥＥＫを用いたが、プラスチックの種類は特に限定しない。但し、ダイヤモンドライクカーボン薄膜５を被覆するＣＶＤ処理時において、軟化することがないように２００℃前後の温度に耐え得る耐熱性プラスチックを使用する必要がある。

そこで、上記実施例１〜１０の歯車を上記相手材に噛み合わせて以下の条件において回転させ、その回転中における歯車端面の温度及び騒音の音圧レベル（２ｋＨｚ）を測定し、さらに、１０７ サイクルの運転後に摩耗量を測定したところ、表１に示す結果を得た。

［運転条件］
潤滑油 ：日産純正ＡＴＦ ＭＡＴＩＣ−Ｄ
試験油温：７０℃
回転数 ：６０００ｒｐｍ
トルク ：１０Ｎｍ

この際、比較のために、歯車本体をＰＥＥＫのみで形成してその噛み合い歯面をダイヤモンドライクカーボン薄膜で被覆した比較例１の歯車と、歯車本体をＰＥＥＫで形成したのみの比較例２の歯車と、歯車本体をＡ４０３２で製作してその噛み合い歯面にプラスチック層のみを形成した比較例３及びこのプラスチック層にダイヤモンドライクカーボン薄膜を被覆した比較例１０の歯車と、歯車本体をＳ４５Ｃ調質材で製作したのみの比較例４の歯車と、歯車本体をＳ４５Ｃ調質材で製作してその噛み合い歯面にプラスチック層を形成し、ダイヤモンドライクカーボン薄膜を順次形成した比較例５及び比較例１１の歯車と、歯車本体をＳ４５Ｃ調質材で製作してその噛み合い歯面にプラスチック層のみを形成した比較例６及びこのプラスチック層に図４に示すディンプル形状の微細加工溝を付与した比較例７の歯車と、歯車本体をＦＣＤ４００（球状黒鉛鋳鉄）で製作してその噛み合い歯面にプラスチック層を形成した後、図３に示すようなクロスハッチ形状の微細加工溝を形成した比較例８の歯車と、歯車本体を真鍮で製作してその噛み合い歯面にプラスチック層を形成した後、図４に示すディンプル形状の微細加工溝を付与した比較例９の歯車を用意して、実施例１〜１０の歯車とともに上記騒音・摩耗量測定試験に供した。

表１に示す結果から明らかなように、比較例４の通常仕様のＳ４５Ｃ調質材製歯車に対して、実施例１〜５の歯車は、プラスチック層の効果によりいずれも騒音レベルが低く抑えられている。加えて、熱伝導のよい金属材料（ベース材）で歯車本体を製作していると共にダイヤモンドライクカーボン薄膜を有していることから、歯車端面の温度も７４〜８４℃に抑えられており、摩耗量も少なかった。

また、プラスチック層にクロスハッチ又はディンプル形状の微細加工溝を付与した実施例６〜１０の歯車についても、上記と同様に騒音レベルが低く抑えられて、歯車端面の温度も低く抑えられており、摩耗量も少ない結果が得られた。微細加工溝の形状については、実施例６と実施例９を比較するとディンプル形状の方が歯車騒音と摩耗量において優れた結果が得られた。

一方、比較例１及び２の歯車は、ＰＥＥＫのみで歯車本体を形成したため、変形及び摩耗が進行して騒音が増し、最終的に折損してしまった。また、比較例３及び６の歯車は、ダイヤモンドライクカーボン薄膜を有しておらず且つまた微細加工溝を付与しなかったため、プラスチック層が摩滅してしまい、比較例５及び１０の歯車では、ダイヤモンドライクカーボン薄膜が厚すぎたうえに微細加工溝を付与しなかったため、このダイヤモンドライクカーボン薄膜が早期に剥離してしまい、その結果、プラスチック層が摩滅してしまった。

また、比較例７〜９についても微細加工溝を付与したものの、ダイヤモンドライクカーボン薄膜がないため、同様にプラスチックの摩耗に伴って形状が失われてしまい、最終的には騒音や摩耗を抑えることができなかった。同様に比較例１１ではダイヤモンドライクカーボン薄膜が薄すぎたうえに微細加工溝を付与しなかったために、部分的に剥離が生じてしまい、最終的にプラスチック層の摩滅が生じた。

以上のように、実施例１〜１０の歯車が、高速回転時においても静粛性及び耐久性に優れていることが実証できた。

本発明の歯車は、高速回転用に限らず、中速回転用及び低速回転用として使用しても、優れた静粛性及び耐久性を呈する。

本発明の実施例１〜３，５〜１０の歯車の部分断面説明図である。（実施例１〜３，５〜１０） 本発明の実施例４の歯車の部分断面説明図である。（実施例４） 本発明のクロスハッチ形状（加工溝形状Ａ）を付与した歯面表層説明図である。（実施例６〜８） 本発明のクロスハッチ形状（加工溝形状Ａ）の部分断面説明図である。（実施例６〜８） 本発明のディンプル形状（加工溝形状Ｂ）付与した歯面表層説明図である。（実施例９，１０） 本発明のディンプル形状（加工溝形状Ｂ）の部分歯面説明図である。（実施例９，１０）

符号の説明

１ 歯車
２ 歯車
３ 噛み合い歯面
３ａ 歯先
４ プラスチック層
４Ａ プラスチック層
１ ダイヤモンドライクカーボン薄膜

Claims (7)

1. 金属からなる歯車本体を備え、この歯車本体の少なくとも噛み合い歯面には、プラスチック層及びダイヤモンドライクカーボン薄膜が順次積層して形成してあることを特徴とする歯車。
2. 歯車本体の噛み合い歯面のピッチ点よりも歯先側のみにプラスチック層を形成した請求項１に記載の歯車。
3. 歯車本体の噛み合い歯面に形成したプラスチック層の表面には、規則的な微細凹部形状の加工溝が形成してある請求項１又は２に記載の歯車。
4. ダイヤモンドライクカーボン薄膜の厚さを１〜４μｍとした請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の歯車。
5. 請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の歯車を製造するに際して、金属からなる歯車本体を形成した後、この歯車本体の少なくとも噛み合い歯面に射出成型によりプラスチック層を形成すると共に歯面研削加工を施して歯面形状を整え、続いて、上記歯面形状を整えた噛み合い歯面をＣＶＤ法によってダイヤモンドライクカーボン薄膜で被覆することを特徴とする歯車の製造方法。
6. 請求項３に記載の歯車を製造するに際して、プラスチック層の表面の規則的な微細凹部形状の加工溝の形成は、被加工である歯車と噛み合う面上に所望の規則的な突起形状を有する転造治具を用いて行う転圧加工である請求項５に記載の歯車の製造方法。
7. 請求項３に記載の歯車を製造するに際して、プラスチック層の表面に規則的な複数の微細凹部形状のクロスハッチ又はディンプルの加工溝を形成する請求項５又は６に記載の歯車の製造方法。

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