JP2007162745A - 歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歯面端部で歯当たりするリングギヤの強度を高めることができ、製造コストも従来と変わらない歯車装置を提供する。
【解決手段】本発明の歯車装置（ハイポイドギヤ）は、フレームに回転自在に保持される駆動側のピニオンギヤと、歯面の小端３４が面取りされた歯３１をもち該ピニオンギヤと噛合する従動側のリングギヤ３と、からなる歯車装置であって、該リングギヤ３の歯３１は、該ピニオンギヤの歯よりも歯幅ＷＲが狭く、かつ減速時に該ピニオンギヤに当接する減速側歯面３９の小端面取り寸法Ｂを加速側歯面３８（面取り寸法Ａ）よりも大きくしたことを特徴とする。前記リングギヤ３の前記減速側歯面３９の前記小端面取り寸法Ｂは歯幅方向に１．５〜３ｍｍであり、前記加速側歯面３８の前記小端面取り寸法Ａは歯幅方向に０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転駆動力を伝達する歯車装置に関し、より詳細にはピニオンギヤとリングギヤとからなる歯車装置に関する。

車両用の駆動装置では、回転速度を減速するとともに軸の回転方向を変換するために、歯車装置が一般的に用いられている。この歯車装置にはかさ歯車対などが用いられ、特に車両用にはハイポイドギヤが用いられることが多い。ハイポイドギヤは、食い違い軸の間でピニオンギヤとリングギヤとが噛合して回転を伝達する装置であり、ウォームギヤなどと比較してコンパクトかつ高効率であるという特長を有している。

ハイポイドギヤを始めとする車両用の歯車装置は、回転数や駆動力が急変する過酷な条件で使用され、また安全性の確保も要求されており、高い耐久性能や疲労強度が必要とされている。これに応えるため、歯車の製造工程では焼き入れ処理、特に浸炭焼き入れ処理が施されており、近年では鉄製粒子を歯車の表面に衝突させるショットピーニング処理が施されるようになってきている。これらの処理により、歯車表面の硬度が増すとともに、圧縮残留応力が付与されて、疲労強度が向上されている。さらに、特許文献１に開示される高強度ハイポイド歯車では、化学研磨を施すことにより局所的な欠陥を除去するとともに、表面を平滑化して接触面積を確保し、応力集中を緩和している。
特開平５−１６９３２４号公報

ところで、最近は車両の高性能化や燃費向上のための軽量化が要望され、部品の小形化、高強度化が一層強く要求されるようになってきている。特許文献１に例示されるような製造工程上の対策には限界があり、また製造コストの制約もある。したがって、ギヤを大形化することなく設計上の構造を改良して耐久性能を高める必要がある。

車両に用いるハイポイドギヤは、歯数の少ないピニオンギヤを駆動側、歯数の多いリングギヤを従動側として用いることが一般的である。リングギヤに着目すると、車両減速時にピニオンギヤに当接する減速側歯面では、始めに大端（外周側）の歯元付近がピニオンギヤに歯当たりし（接触し）、ギヤの回転につれて接触している歯当たり位置が歯幅の中央に移動してゆき、最後には小端（内周側）の歯先付近で離れる。また、加速時にピニオンギヤが当接してくる加速側歯面では、始めに大端（外周側）の歯先付近がピニオンギヤに歯当たりし、最後には小端の歯元付近で離れる。

ここで、同一の駆動力により生起される回転モーメントに対して、大端よりも径の小さな小端で大きな応力が発生する。また歯先と歯元とを比較すると、肉厚の小さい歯先のほうが強度的に厳しくなる。さらに、歯の端部は強度が低く、加えて歯当たりの接触面積が減少するため単位面積当たりのストレスが増大する。したがって、減速時の小端の歯先での歯当たりが強度上最も厳しい条件となり、加速時に接触する側よりも不利であった。このため、急激なエンジンブレーキ操作などによる減速時に、過大な応力が集中することが懸念されていた。

本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、歯面端部で歯当たりするリングギヤの強度を高めることができ、製造コストも従来と変わらない歯車装置を提供する。

本発明の歯車装置は、フレームに回転自在に保持される駆動側のピニオンギヤと、歯面の小端が面取りされた歯をもち該ピニオンギヤと噛合する従動側のリングギヤと、からなる歯車装置であって、該リングギヤの歯は、該ピニオンギヤの歯よりも歯幅が狭く、かつ減速時に該ピニオンギヤに当接する減速側歯面の小端面取り寸法を加速側歯面よりも大きくしたことを特徴とする。

本発明の歯車装置は、駆動側にピニオンギヤを、従動側にリングギヤを備えている。車両用の歯車装置を例に取ると、ピニオンギヤはエンジンに連なる駆動源側に、リングギヤは車輪に連なる負荷側に設けられる。そして、加速時にはピニオンギヤがリングギヤに当接して駆動力を伝達し、減速時には慣性で回転するリングギヤがピニオンギヤに当接して抑止されるように構成されている。ピニオンギヤとリングギヤとは、ともにかさ歯車形状とすることができ、両者の軸は交わってもよいし、食い違ったハイポイドギヤであってもよい。

リングギヤの歯は、該ピニオンギヤの歯よりも歯幅を狭く形成することができる。これにより、リングギヤはピニオンギヤの歯幅の中央部分に噛合して、ピニオンギヤの歯面の大端及び小端が歯当たりしないようにすることができる。これは、歯数が少なく高速で回転するピニオンギヤの疲労劣化を低減するための方策である。

歯幅の狭い側のリングギヤは、大端及び小端でも歯当たりが生じる。通常は、大端側で歯当たりが始まり、ギヤの回転につれて接触している歯当たり位置が歯幅の中央に移動してゆき、最後には小端側で離れる。伝達する駆動力が大きいときには、歯当たりしている面積は増加して、歯面の広い範囲で接触するようになる。また、加速時と減速時とでは駆動力を伝える方向が反転するため、歯当たりする歯面が表裏入れ替わる。そして、減速時には噛合が離れるときに小端の歯先での歯当たりが生じ、強度的に最も厳しい条件となっている。

大端及び小端で歯当たりするリングギヤでは、従来から一般的に歯面端部に面取りが施されている。例えば、切削加工による製造法では、歯面端部の横断面の直角部分が斜めに削り取られている。また鍛造による製造法では、歯面端部の直角部分には丸みがつくように加工されている。この面取りによって、歯面端部への応力集中が緩和され、疲労強度が向上している。

本発明では、以降に説明するように減速側歯面の小端面取り寸法を加速側歯面よりも大きくすることにより、さらに強度を向上している。大端側は小端側よりも発生する応力が緩やかなため、面取り寸法は制約されない。なお、本発明では、面取りの形状を面取り寸法と面取り角度で表現している。面取り寸法とは、歯面端部から歯面中央に向かう歯幅方向の寸法であり、面取り角度とは、面取り加工により生成される面と当初の歯面との成す角度である。

前記リングギヤの前記減速側歯面の前記小端面取り寸法は歯幅方向に１．５〜３ｍｍであり、前記加速側歯面の前記小端面取り寸法は歯幅方向に０．５ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記リングギヤの前記面取りは、前記減速側及び前記加速側ともに同一の面取り角度で施され、該面取り角度は歯面に対して１５〜２０°であることが好ましい。

好ましい態様として、減速側小端面取り寸法を歯幅方向に１．５〜３ｍｍ、面取り角度を歯面に対して１５〜２０°とすることが好ましい。従来の面取りは、面取り寸法０．５ｍｍ以下、面取り角度４５°程度と、歯面端部は小さな略直角二等辺三角形状に削り取られていた。本発明では、減速側小端の断面を扁平に大きく削り取るようにしている。一方、加速側は従来と同程度の面取り寸法とし、面取り角度を小さくすることによって削り代を低減し、小端の歯厚を減じないようにしている。

上述の本発明の面取りを施すことにより、減速時の歯当たり位置は、機械的強度の低い小端の端面まで行かずに、歯幅の中央寄りの機械的強度が高く安定した適正位置で離れるようになる。加えて、歯当たり位置のギヤ中心軸からの径が増加するため、モーメント上の発生応力が減少する。さらに、面取り角度を従来よりも小さくしたことにより、歯当たりが離れる瞬間でも大きな接触面積を維持することができる。これらの効果が相乗的に作用するため、減速時の歯当たりに対する強度を著しく向上することができる。

前記リングギヤの前記面取りは、前記面取り角に相当する歯先角度をもつカッターを用い、前記減速側と前記加速側とで進入寸法を変えて切削することにより形成されるようにしてもよい。

例えば、面取り角度１５〜２０°に相当する歯先角度のカッターを用いて、上述の面取りの加工を行うことができる。すなわち、まずカッターにリングギヤの歯面の小端を正対させ、次にカッターを歯と歯の間まで進入させて切削加工することができる。このとき、減速側歯面と加速側歯面とでカッター進入寸法を変えることにより、面取り寸法を可変にすることができる。この面取り加工方法によれば、製造コストを従来と同等にすることができる。

なお、上述の面取り寸法及び面取り角度であれば、ギヤ同士の離れるタイミングは大きくは変化せず、ギヤの遊び代によるギヤ鳴りなどの影響は生じない。

本発明の歯車装置では、従動側のリングギヤの歯幅を駆動側のピニオンギヤよりも狭くして、かつ減速時にピニオンギヤに当接するリングギヤの減速側歯面の小端面取り寸法を加速側歯面よりも大きくしている。このため、減速時の歯当たり位置が、小端端面から歯幅の中央寄りの機械的硬度が高く安定した適正位置に移動し、歯当たりに対する強度を著しく向上することができる。

また、リングギヤの面取りは、面取り角に相当する歯先角度をもつカッターを用い、減速側と加速側とで進入寸法を変えて切削することにより形成している。このため、製造コストを従来と同等にすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図５を参考にして説明する。図１は、本発明の実施例のハイポイドギヤを示す説明図である。図１に示されるように、実施例のハイポイドギヤ１は、ピニオンギヤ２とリングギヤ３とで構成され、両者の軸心は寸法Ｌだけ食い違っている。

ピニオンギヤ２は、はす歯かさ歯車により形成され図略のフレームに回転自在に保持されている。また、ピニオンギヤ２は、歯幅ＷＰの歯２１をもつとともに、図中の右方向に延びる軸２２をもち、駆動源側に連結されている。リングギヤ３も、はす歯かさ歯車により形成され図略のフレームに回転自在に保持されている。また、リングギヤ３は、ピニオンギヤ２よりも小さな歯幅ＷＲの歯３１をもつとともに、紙面に垂直な軸をもち、負荷側に連結されている。リングギヤ３の歯３１は、ピニオンギヤ２の歯２１の中央に噛合するように配置されている。

次に、リングギヤ３の面取り形状について、図２を参考にして説明する。図２は、リングギヤ３の歯３１を示す部分拡大図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は歯丈の中間における断面図である。図２に示されるように、リングギヤ３の歯３１の小端３４には、加速側歯面３８と減速側歯面３９とで異なる面取り加工が施されている。すなわち、図中上側の加速側歯面３８の面取り寸法Ａ＝０．５ｍｍで、下側の減速側歯面３９の面取り寸法Ｂ＝２．５ｍｍと大きくしている。また、加速側歯面３８に対する面取り角度ａ＝１５°で、減速側歯面３９に対する面取り角度ｂ＝１５°と等しくしている。また、大端３５では加速側歯面３８、減速側歯面３９ともに、面取り寸法０．５ｍｍ、面取り角度４５°と従来と同様に加工されている。

次に、実施例のハイポイドギヤ１の作用について、従来構造と比較しながら説明する。図３は、従来構造のリングギヤ９を説明する図であり、（Ａ）は構造を示す図、（Ｂ）は歯当たり位置を説明する図、（Ｃ）は歯当たり範囲を説明する図である。図３（Ａ）に示されるように、従来構造のリングギヤ９では、小端３４の面取りは、加速側歯面３８、減速側歯面３９ともに、面取り寸法Ｃ＝０．５ｍｍ、面取り角度ｃ＝４５°と同量で、小さいものであった。

また、歯当たり位置は（Ｂ）に矢印で示されるように、減速側歯面３９では始めに大端３５の歯元付近がピニオンギヤ２に歯当たりし、ギヤの回転につれて接触している歯当たり位置が歯幅の中央に移動してゆき、最後には小端３４の歯先付近Ｘで離れるようになっている。加速側歯面３８では始めに大端３５の歯先付近がピニオンギヤ２に歯当たりし、ギヤの回転につれて接触している歯当たり位置が歯幅の中央に移動してゆき、最後には小端３４の歯元付近Ｙで離れるようになっている。なお、（Ｃ）に示されるように、歯当たり範囲すなわち接触面積は、伝達する駆動力の増加とともに、増大する。

ここで、従来構造のリングギヤ９では、駆動力が大きいときに減速側歯面３９の小端３４の端面で歯当たりするため接触面積が小さく、さらに歯３１の肉厚も歯先付近Ｘで小さいため、強度的に不利であった。このため、急激なエンジンブレーキ操作などで、過大な応力が集中すると、図４に示されるような歯欠けの生じるおそれがあった。図４は、減速側歯面３９の小端３４の歯先付近Ｘを起点として、歯３１の一部が破損した状態を示している。

従来構造に対して実施例のハイポイドギヤ１では、リングギヤ３の歯当たり位置は、図２に示されるように小端３４から面取り寸法Ａ＝２．５ｍｍだけ歯幅の中央に寄った位置Ｚとなる。したがって、歯当たり位置が強度の低い歯３１の端面から強度が大きく安定している中央に寄る効果、ギヤ中心軸からの距離が増加してモーメント上応力が低下する効果、さらには端面を避けかつ面取り角度を小さくしたことにより接触面積が増す効果、が相乗的に作用して、強度は著しく向上する。

図５は、本発明の別の実施例の歯車装置６を示す説明図である。実施例の歯車装置６は、駆動軸７に設けられたピニオンギヤ２０と、ディファレンシャル装置８に設けられたリングギヤ３０とで構成されている。リングギヤ３０の歯幅ＷＲは、ピニオンギヤ２０の歯幅ＷＰよりも狭く形成されている。その他の詳細な構造並びに作用は、図２〜４における説明と同様である。この歯車装置６においても、リングギヤ３０の減速側歯面の小端面取り寸法を加速側歯面よりも大きくすることにより、強度を著しく向上することができる。

本発明の実施例のハイポイドギヤを示す説明図である。 図１の実施例においてリングギヤの歯を示す部分拡大図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は歯丈の中間における断面図である。 従来構造のリングギヤを説明する図であり、（Ａ）は構造を示す図、（Ｂ）は歯当たり位置を説明する図、（Ｃ）は歯当たり範囲を説明する図である。 図３の従来構造のリングギヤが破損した状態を示す説明図である。 本発明の別の実施例の歯車装置を示す説明図である。

符号の説明

１：ハイポイドギヤ
２、２０：ピニオンギヤ
２１：歯 ２２：軸
３、３０：リングギヤ
３１：歯 ３４：小端 ３５：大端
３８：加速側歯面 ３９：減速側歯面
６：歯車装置
７：駆動軸
８：ディファレンシャル装置
９：従来構造のリングギヤ
Ａ、Ｂ：面取り寸法
ａ、ｂ：面取り角度
ＷＰ、ＷＲ：歯幅

Claims (5)

1. フレームに回転自在に保持される駆動側のピニオンギヤと、歯面の小端が面取りされた歯をもち該ピニオンギヤと噛合する従動側のリングギヤと、からなる歯車装置であって、
   該リングギヤの歯は、該ピニオンギヤの歯よりも歯幅が狭く、かつ減速時に該ピニオンギヤに当接する減速側歯面の小端面取り寸法を加速側歯面よりも大きくしたことを特徴とする歯車装置。
2. 前記リングギヤの前記減速側歯面の前記小端面取り寸法は歯幅方向に１．５〜３ｍｍであり、前記加速側歯面の前記小端面取り寸法は歯幅方向に０．５ｍｍ以下である請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記リングギヤの前記面取りは、前記減速側及び前記加速側ともに同一の面取り角度で施され、該面取り角度は歯面に対して１５〜２０°である請求項１または２に記載の歯車装置。
4. 前記リングギヤの前記面取りは、前記面取り角に相当する歯先角度をもつカッターを用い、前記減速側と前記加速側とで進入寸法を変えて切削することにより形成される請求項１〜３のいずれかに記載の歯車装置。
5. 前記ピニオンギヤと前記リングギヤとは、軸心が食い違うハイポイドギヤを形成する請求項１〜４のいずれかに記載の歯車装置。
   

Images