JP2007127260A - 歯車および歯車駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転する歯車の歯面間の油膜形成が十分に行え、ピッチング、アブレジョン、スコーリングの発生を防ぎ、温度上昇や摩耗を防止して耐久性を向上させることができる歯車および歯車駆動装置を提供する。
【解決手段】歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内となるように設定する。これにより、歯面が高い油膜形成能力を奏するため、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い条件下でも、長寿命を得ることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は歯車および歯車駆動装置に関するもので、たとえば自動車のトランスミッションの動力伝達部やギヤポンプに使用される歯車および歯車駆動装置に適用することができる。

例えば、特許文献１には、歯面に微小なくぼみを無数にランダムに設けた歯車が示されている。この微小なくぼみの平均面積は３５〜１５０μｍ^２、微小なくぼみの表面に占める割合は１０〜４０％、微小なくぼみを設けた表面粗さＲmaxは平均で０．６〜２．５μｍ、微小なくぼみを設けた歯面の表面粗さのパラメータＳｋ値はＳｋ≦−１．６となるように設定されている。これにより、表面の油膜形成能力を向上させ、歯車の歯面間の油膜を十分に形成することで、歯車の表面起点剥離等の潤滑不良に起因する損傷を防止し、耐久性を向上させている。
実開平４−５６２５４号公報

近年、自動車トランスミッションをはじめ歯車が使用される部位は小型化、高出力化がますます進んでおり、潤滑油の低粘度化等使用環境が高荷重・高温化する傾向にある。このため歯車にとっては今まで以上に厳しい潤滑環境へと変化しており、潤滑不良による摩耗や表面起点型剥離がますます発生しやすくなってきている。特に、トランスミッションの多段化により、そこに使用されている歯車に作用するトルクや荷重さらには回転数は増大する傾向にあり、歯車には小型化及び高回転対応化といった機能が求められる。それに伴い、歯車の潤滑条件はますます厳しいものとなり、潤滑不良による摩耗や損傷が発生しやすくなっている。このため、歯車の歯面の諸条件を前記特許文献１に記載のように設定しても、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い場合にはその効果が十分に発揮できない場合がある。

本発明の課題は、高速回転する歯車の歯面間の油膜形成が十分に行え、ピッチング、アブレジョン、スコーリングの発生を防ぎ、温度上昇や摩耗を防止して耐久性を向上させることができる歯車およびそのような歯車を使用した歯車駆動装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の歯車は、歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする。なお、くぼみの面積率とは、歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けた場合、歯面全体の面積に占めるくぼみの面積の割合を意味する。また、パラメータＲｙmaxとは、基準長毎最大高さの最大値である（ISO 4287:1997）。

また、本発明の歯車駆動装置は、駆動力により駆動される駆動歯車と、前記駆動歯車に対して、噛合により駆動される被駆動歯車とを有する歯車駆動装置において、前記駆動歯車および前記被駆動歯車の双方の歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする。

上記のように、本発明の歯車および歯車駆動装置では、歯面のくぼみを設けた面におけるくぼみの面積率を５〜２０％の範囲内に規定するとともに、前記くぼみを設けた面の面粗さパラメータＲｙmaxを０．４〜１．０μｍの範囲内に設定することで、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

この歯車において、前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）を１．５以下に設定すると、さらに歯面の油膜形成能力の向上が図られる。パラメータＲｑniとは、粗さ中心線から粗さ曲線までの高さの偏差の自乗を測定長さの区間で積分し、その区間で平均した値の平方根であり、別名自乗平均平方根粗さともいう。Ｒｑniは拡大記録した断面曲線、粗さ曲線から数値計算で求められ、粗さ計の触針を幅方向および円周方向に移動させて測定する。

以上のように、本発明によると、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、歯面が微小粗面となって油膜が形成しやすくなる。しかもこのくぼみが油溜まりとなるため、すべり面の油膜形成が確実に行える。このため、温度上昇の低減が可能となるとともに、噛み合う歯車の歯面同士の金属接触を緩和でき、高速回転領域においても、ピッチング（Pitting）、アブレジョン（Abrasion）、及びスコーリング（Scoring）の発生を防ぐことができる。従って、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い条件下でも、この歯車および歯車駆動装置の長寿命を得ることができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、自動車に用いられるトランスミッションの一例を示しており、ケース１内にインプットシャフト２とドライブピニオン３及びアウトプットシャフト４を直列に配置し、さらにアウトプットシャフト４に平行にカウンターシャフト５とリバースシャフト６が配置され、上記ドライブピニオン３と各シャフト２、４、５に歯車７群が取付けられ、ケース１の外部からの操作による各歯車７群の噛み合わせを変化させることにより、インプットシャフト２の嵌入をアウトプットシャフト４に変速もしくは逆転して取り出すようになっている。このトランスミッションでは、インプットシャフト２の回転に伴い、オイルパン（図示省略）に溜まった油が歯車７にはねかけられ、歯車７群、軸受８、９等を潤滑し、オイルパンに戻る。すなわち、このトランスミッションは、駆動力により駆動される駆動歯車と、前記駆動歯車に対して、噛合により駆動される被駆動歯車とを有する歯車駆動装置を備えることになる。

図２は、歯車駆動装置の一部を構成する歯車７を示している。この歯車駆動装置の歯面７ａは、独立した微小なくぼみを無数にランダムに形成した微小粗面になっている。この微小粗面は、くぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内である。また、面粗さを各表面の軸方向と円周方向のそれぞれで求めてパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．５以下になっている。このような微小粗面を得るための表面加工処理としては、特殊なバレル研摩によると所望の仕上げ面を得ることができるが、これに限らず、例えばショット等を用いてもよい。

このように、本発明の歯車駆動装置の歯車は、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設けることによって、歯面が微小粗面となり油膜が形成しやすくなる。しかもこのくぼみが油溜まりとなるため、すべり面の油膜形成が確実に行える。このため、温度上昇の低減が可能となるとともに、噛み合う歯車７の歯面７ａ間の金属接触を緩和でき、高速回転領域においても、ピッチング、アブレジョン、及びスコーリングの発生を防ぎ、長寿命化を図ることができる。特に、くぼみの面積率を５〜２０％の範囲内に設定するとともに、くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxを０．４〜１．０μｍの範囲内に設定したことにより、油膜形成能力を向上させることができるため、希薄潤滑下で極端に油膜厚さが薄い条件下でも長寿命を得ることができる。

また、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）の比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）を１．５以下に設定することによっても、油膜形成能力を向上させることができる。

従って、本発明の歯車は、低粘度、希薄潤滑下で油膜厚さが極端に薄い条件下でも、長寿命を得ることができ、このような歯車を使用した本発明の歯車駆動装置は長寿命を得ることができる。

このように、本発明の歯車は、耐ピッチング性、耐アブレジョン性、及び耐スコーリング性に優れるので、図１に示すような自動車用トランスミッションの歯車７として最適となる。また、自動車用オートマチックトランスミッション（ＡＴ）は、通常２〜３組の遊星歯車機構が使用され、これら遊星歯車機構のキャリア、リングギアをクラッチにより締結することにより減速比が変動する構造となっている。このため、このような遊星歯車機構におけるサンギア、プラネタリピニオン、及びリングギア等へ本発明の表面性状を施すようにするのが好ましい。

ところで、噛み合う一対の歯車において、一方の歯車の歯面のみに本発明に係る表面性状を満たす表面処理を施しても、十分に長寿命等の効果を得ることができるが、両方の歯車に歯面に、本発明に係る表面性状を満たす表面処理を施すのがより一層の効果がある。

なお、本発明の歯車としては、自動車用トランスミッション以外の種々の歯車駆動装置にももちろん使用できる。

本発明の有用性を示すために、まず、歯車の寿命評価を行った。歯車の歯面は、相手側の歯面と転がり接触および滑り接触し、その接触は、転がり軸受のレースと軌道輪との接触状態に準じた形態となる。従って、歯車の寿命評価は、転がり軸受の寿命試験評価で評価することができると考えられる。かかる観点から、本発明者らは、後述の条件で転がり軸受の寿命試験を行った。以下に、本実施例で測定したパラメータＲｙni、Ｒｙmax、Ｓｋ、Ｒｑniの測定方法、条件の一例を示す。尚、パラメータＲｙniとは、基準長毎最大高さの平均値すなわち、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦倍率の方向に測定した値である（ISO 4287:1997）。また、パラメータＳｋとは、粗さ曲線の歪み度（スキューネス）を指し（ISO 4287:1997）、凹凸分布の非対称性を知る目安の統計量である。ガウス分布のような対称な分布ではＳｋ値は０に近くなり、凹凸の凸部を削除した場合は負、逆の場合は正の値をとることになる。これらのパラメータで表される表面性状を、転がり軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
パラメータ算出規格：JIS B 0601:1994（サーフコム JIS 1994）
カットオフ種別：ガウシアン
測定長さ：５λ
カットオフ波長：０．２５ｍｍ
測定倍率：×１００００
測定速度：０．３０ｍｍ／ｓ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２
測定装置：面粗さ測定器サーフコム１４００Ａ（東京精密株式会社）

また、くぼみの定量的測定を行うには、ころ表面を拡大し、その画像から市販されている画像解析システムにより定量化できる。さらには、特開２００１−１８３１２４に開示されている表面性状検査方法及び表面性状検査装置を用いれば、安定して精度良く測定することができる。この方法は、曲率を有する検査表面に光を照射して検査表面をカメラで撮影し、このカメラで撮影された検査表面の画像の輝度を測定して、この測定された輝度の明部と暗部のコントラストで形成される明暗パターンにより、検査表面の表面性状を検査する表面性状検査方法であって、光をカメラの光軸方向に合致させて照射し、測定される画像の輝度分布がピーク値を示す位置を、カメラの光軸上に一致させるように、検査表面を位置決めすることにより、検査表面の曲率に起因するシェーディング（輝度分布）を抑制するものである。また、光をカメラの光軸方向に合致させて照射し、測定される画像の輝度分布について、この輝度分布がピーク値を示す位置に相当する検査表面の部位を原点とし、曲率の対称軸を一つの軸とする直交二次元座標で、直交する各座標軸に沿う一次元の輝度分布をそれぞれ近似関数で近似し、これらの近似関数を用いて、画像の輝度分布を除去するように、輝度分布のピーク値を基準値として、座標各位置に相当する測定された画像の輝度を補正し、この補正された輝度の明暗パターンにより検査表面の表面性状を検査することにより、シェーディングのない明暗パターンで表面性状を検査することができる。測定条件はたとえば次のとおりである。また、くぼみの面積率、平均面積を転がり軸受の転動体や軌道輪といった構成要素について測定する場合、上記のパラメータと同様に、一ヶ所の測定値でも代表値として信頼できるが、たとえば直径方向に対向する二ヶ所を測定するとよい。
面積率：観察視野範囲で２値化閾値（（明部の輝度＋暗部の輝度）／２）よりも小さい画素（黒）の占める割合
平均面積：黒の面積の合計／総数
観察視野：８２６μｍ×６２０μｍ
測定箇所：ころ中央部
測定数：２

図３は供試転がり軸受の一例を示しており、この転がり軸受１０は転動体として針状ころ１２を外輪１３に組み込んだ針状ころ軸受であり、針状ころ１２で相手軸１４を支持するようになっている。針状ころ表面に、仕上面の異なる表面処理を施した複数種類の針状ころ軸受を製作し、寿命試験を行なった結果について説明する。寿命試験に用いた針状ころ軸受は、図４に示すように、外径Ｄｒ＝３３ｍｍ、内径ｄｒ＝２５ｍｍ、針状ころ１２の直径Ｄ＝４ｍｍ、長さＬ＝２５．８ｍｍで、１５本の針状ころを用いた保持器１５付きの軸受である。試験軸受として針状ころの表面粗さ仕上の異なる３種類を製作した。すなわち、研削後スーパーフィニッシュを施した軸受Ａ（比較例）と、微小凹形状のくぼみをランダムに無数に形成した軸受Ｂ（比較例）、軸受Ｃ（参考例）、軸受Ｄ（参考例）とである。各試験軸受の針状ころにおける仕上面状況を図５〜図７に示す。具体的には、図５は軸受Ａの表面粗さ、図６は軸受Ｂの表面粗さ、図７は軸受Ｃ及び軸受Ｄの表面粗さをそれぞれ示す。また、各試験軸受の表面仕上面の特性値パラメータ一覧を表１に示す。なお、Ｒｑni（Ｌ／Ｃ）については、軸受Ｂ、Ｃ及びＤは１．５以下であり、軸受Ａは１．５前後の値である。また、結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。

使用した試験装置は図８に概略図で示したようなラジアル荷重試験機１６で、回転軸１７の両側に試験軸受１０を取り付け、回転と荷重を与えて試験を行なうものである。試験に用いたインナレース（相手軸）の仕上は研摩仕上のＲa０．１０〜０．１６μｍである。アウタレース（外輪）も共通である。試験条件は以下のとおりである。
軸受ラジアル荷重：２０００ｋｇｆ
回転数：４０００ｒｐｍ
潤滑剤：クリセクオイルＨ８（試験条件で２ｃｓｔ）

図９に油膜パラメータΛ＝０．１３の下での寿命試験結果を示す。同図の縦軸が寿命時間（ｈ）を表している。同図に示すように、軸受Ａが７８ｈ、軸受Ｂが８２ｈであったのに対して軸受Ｃは１０５ｈ、軸受Ｄは１２１ｈであった。このデータから明らかなように、針状ころ表面が本発明に係る表面形状を満たすように表面処理された軸受Ｃ及びＤは、油膜パラメータΛ＝０．１３という低粘度、希薄の非常に過酷な潤滑条件下でも長寿命効果を得ることができる。従って、歯面を上記数値範囲に設定した本発明に係る歯車は、高い長寿命効果を得ることができる。

次に、図１０に示す平歯車疲労試験機を使用して歯車のピッチング試験を実施し、ピッチング強度を評価した。図１０において、ドライブ側歯車３１（歯数２９枚）とドリブン側歯車３２（歯数３０枚）は各々の回転軸３３、３４の片側に取付けられており、ドライブ側の軸３３が図示しないモータにより駆動されている。また、ドライブ側の軸３３に取付けてある負荷レバー３５及び重錘３６によりトルクを負荷する構造となっている。ドライブ側歯車３１は、本発明に係る表面処理の有無で２種類を用意した。試験条件等の詳細は、表２のとおりである。

歯車ピッチング試験のデータを表３及び表４に示す。表３はドライブ側及びドリブン側の何れの歯車にも表面処理を施していない場合 （ａ）の結果（比較例）を示し、表４はドライブ側歯車の歯面に、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施したものを使用した場合（ｂ）の結果（実施例）を示し、表５はドライブ側歯車及びドリブン側歯車の歯面に、本発明に係る表面性状を満たすように表面処理を施したものを使用した場合（ｃ）の結果（実施例）をそれぞれ示す。これらより、ピッチング寿命が、（ａ）の場合に比べ、（ｂ）の場合では２倍以上向上し、（ｃ）の場合では３倍以上向上していることが確認できる。

自動車用トランスミッションの縦断面図 歯車の要部拡大斜視図 針状ころ軸受の断面図 寿命試験に用いた針状ころ軸受の断面図 試験軸受Ａにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図 試験軸受Ｂにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図 試験軸受Ｃ及びＤにおける仕上げ面状況を示す粗さ曲線図 試験装置の部分断面図 寿命試験結果を示すグラフ 平歯車試験機の部分斜視図

符号の説明

２ インプットシャフト
４ アウトプットシャフト
５ カウンターシャフト
７ 歯車
１０ 転がり軸受
１２ 針状ころ

Claims (4)

1. 歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする歯車。
2. 前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．５以下であることを特徴とする請求項１の歯車。
3. 駆動力により駆動される駆動歯車と、前記駆動歯車に対して、噛合により駆動される被駆動歯車とを有する歯車駆動装置において、
   前記駆動歯車および前記被駆動歯車の双方の歯面に微小凹形状のくぼみをランダムに無数に設け、前記くぼみを設けた面におけるくぼみの面積率が５〜２０％の範囲内であり、かつ、前記くぼみを設けた面の面粗さのパラメータＲｙmaxが０．４〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする歯車駆動装置。
4. 前記くぼみを設けた面の面粗さをパラメータＲｑniで表示したとき、軸方向面粗さＲｑni（Ｌ）と円周方向面粗さＲｑni（Ｃ）との比の値Ｒｑni（Ｌ）／Ｒｑni（Ｃ）が１．５以下であることを特徴とする請求項３の歯車駆動装置。

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