JP2009236767A - 歯車強度評価装置及び歯車強度評価法。 - Google Patents

Abstract

【課題】真空浸炭処理された歯車の強度評価法の信頼性を高めることができる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】歯車支軸１６に支えられている歯車１５と、疑似歯車支軸２３に支えられている疑似歯車２４は噛み合っている。歯車１５が矢印（１）のように駆動すると、疑似歯車２４が矢印（２）のように従動して回転する。この結果、歯先２５の各々に埋設した検出コイル２６で連続的に自動検出できる。
【効果】歯車に噛み合う疑似歯車の歯先の各々に検出コイルを埋設し、これらの検出コイルで検出した情報をスリップリング機構で外部へ取り出す。疑似歯車が測定対象の歯車と回転しながら連続的に歯底を測定するので、測定を能率良く行うことができる。加えて、歯底の全数検査を行うので、強度評価の信頼性を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空浸炭処理された歯車の強度を評価する歯車強度評価技術に関する。

歯車は、重要な機械要素の一つであって、高い強度が求められる。強度を高める手法として、浸炭処理法が広く採用されている。浸炭処理法は、鋼の表層の炭素量を増加させて、機械的性質を改善させる表面処理である。従来は、ガス浸炭法が主流であるが、ガス浸炭法では表面に微少酸化が不可避的に発生する。

対策として、近年、歯車に真空浸炭法を適用する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−３４９０５５公報（請求項１）

特許文献１の請求項１に「平滑な面部における表面炭素濃度が０．６質量％以上となるように真空浸炭されている歯車であって、前記面部の有効硬化層深さをＤ（ｍｍ）としたとき、前記真空浸炭に先立ち、歯元近傍に位置する応力集中部を含む表面に、Ｄ±０．２５（ｍｍ）の面取り加工が施されていることを特徴とする歯車。」の記載があり、歯車に真空浸炭を施すことが開示されている。

上述したように、歯車は重要な機械要素であるため、抜き取り検査や全数検査で強度の測定を行う必要があり、この測定に渦電流を利用した非破壊検査法が実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−１０８８７３公報（図２）

特許文献２を次図に基づいて説明する。
図９は従来の技術の基本原理を説明する図であり、（ａ）に示すように、円柱ワーク１０１に励磁コイル１０２と検出コイル１０３を巻回する。そして、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、円柱ワーク１０１の表層に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で測定する。励磁電圧と検出電圧との相関を（ｃ）で説明する。

（ｃ）は横軸が時間軸で縦軸が電圧であるグラフであり、正弦波Ｖ１が励磁電圧曲線であるときに、検出電圧は正弦波Ｖ２で表される。正弦波Ｖ１と正弦波Ｖ２の位相差をΦと定義する。
（ｂ）で、ｃｏｓΦで表されるＸ値は浸炭深さと良好な相関関係があり、ｓｉｎΦで表されるＹ値は表面硬さに良好な相関関係がある。

浸炭深さや表面硬さが変化すると、Φの大きさやＶ２の高さが変化する。そこで、ｃｏｓΦやｓｉｎΦを計測で求めることにより、そのときの浸炭深さや表面硬さを特定することができる。非破壊検査であるため、歯車の強度評価に好適である。

そこで、円柱ワーク１０１を、歯車に置き換えて、真空浸炭された歯車の強度評価を試みた。その具体例を次図で説明する。
図１０は従来の歯車の強度評価を説明する図であり、歯車１０７に励磁コイル１０２と検出コイル１０３を巻回する。そして、励磁コイル１０２に交流電源１０４から交流電圧（励磁電圧）を印加する。すると、歯車１０７の歯部１０８に渦電流が発生する。この渦電流により検出コイル１０３に交流電流が発生する。この発生した交流電流の電圧（検出電圧）を測定装置１０５で測定した。

測定装置１０５で合格が確認された歯車１０７について、念のために破壊試験を行った。すなわち、歯車１０７を切断し研磨して、浸炭深さや硬さを計測した。すると、計測値に、ばらつきが、あることが判明した。すなわち、上述した歯車の強度評価法では信頼性が乏しいことが判明した。

図１０で説明した評価法では、歯車の表層部分、すなわち歯部を単位とした浸炭深さが求められる。一方、歯部は歯先や歯底を有する複雑な形状を呈している。そのため、歯先と歯底とは、浸炭深さが異なることが考えられる。そこで、真空浸炭処理された歯先と歯底の浸炭深さを計測した。その結果を次図で説明する。

図１１は歯車の浸炭深さを説明する図であり、歯車を切断し、切断面を観察したところ、表層に浸炭層１１０が確認できた。

そこで、歯先１１１の浸炭深さＤ１と歯底１１２の浸炭深さＤ２とに着目すると、歯先と歯底の浸炭深さが同等（Ｄ１＝Ｄ２）、又は歯底の浸炭深さの方が小さかった（Ｄ１＞Ｄ２）。すなわち、歯先の浸炭深さが歯底の浸炭深さより小さくなることはなかった。このことから、本発明者らは、歯部全体を測定対象にするのではなく、歯底を測定対象とする方が、評価の信頼性を高めることができると知見した。

本発明は、歯車の強度を能率良く検査することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、歯車を励磁する励磁コイルと、歯車に噛み合う疑似歯車と、この疑似歯車に埋設され渦電流で発生する磁界の変化を検出する検出コイルと、これらの検出コイルで検出した情報を外部へ取り出すスリップリング機構と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、検出コイルは、疑似歯車の歯先に埋設されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、歯車の歯底の強度を評価する合否判定部を備えていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、歯車は、真空浸炭処理が施されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、疑似歯車は、全ての歯先に各々検出コイルが埋設されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、計測データの何番目が不合格であるかを確認できる合否判定部を備えていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１記載の歯車強度評価装置で歯車の強度を評価する歯車強度評価法であって、１個の歯車から複数箇所の情報を取得し、これらの複数箇所測定したうち１箇所以上で合格基準範囲を外れた場合に不合格とすることを特徴とする。

請求項１に係る発明は、歯車に噛み合う疑似歯車に検出コイルを埋設し、これらの検出コイルで検出した情報をスリップリング機構で外部へ取り出す。疑似歯車が測定対象の歯車と回転しながら連続的に測定するので、測定を能率良く行うことができる。

請求項２に係る発明では、検出コイルは、疑似歯車の歯先に埋設されている。疑似歯車の歯先は細いので、溝などの狭い場所に入り込んで検出することができる。

請求項３に係る発明は、歯車の歯底の強度を評価する合否判定部を備えている。歯車の歯底の強度評価は難しいとされているが、本発明によれば、歯底の強度を評価することができる。

請求項４に係る発明では、歯車は、真空浸炭処理が施されている。真空浸炭処理は、ガス浸炭処理に比較してばらつきが発生しやすいと言われている。本発明によれば、真空浸炭処理によるワークの表面硬化層深さを的確に測定することができる。

請求項５に係る発明では、疑似歯車は、全ての歯先に各々検出コイルが埋設されている。疑似歯車が測定対象の歯車と回転しながら連続的に歯底を測定するので、測定を能率良く行うことができる。
加えて、歯底の全数検査を行うので、強度評価の信頼性を高めることができる。

請求項６に係る発明では、計測データの何番目が不合格であるかを確認できる合否判定部を備えている。何番目が不合格か確認できるので、不具合部分を特定することができる。

請求項７に係る発明では、１個の歯車から複数箇所の情報を取得し、これらの複数箇所測定したうち１箇所以上で合格基準範囲を外れた場合に不合格とする。複数箇所測定するので、評価の制度を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明の歯車強度評価装置の原理図であり、歯車強度評価装置１０は、基台１１と、この基台１１の上面中央に設けられ図左右に延びているレール１２と、このレール１２に左右移動自在に載せられているスライダ１３と、このスライダ１３に軸受１４を介して縦向きに且つ回転自在に支持され歯車１５を支える歯車支軸１６と、スライダ１３に内蔵され歯車支軸１６を一定ピッチで回転させるインデックスモータ１７と、基台１１に載置されスライダ１３をレール１２に沿って往復移動させるシリンダユニット１８と、このシリンダユニット１８及びインデックスモータ１７を制御する制御部１９と、基台１１の一端（図左側）に設けられている固定台２１と、この固定台２１に軸受２２を介して縦向き且つ回転自在に支持されている疑似歯車支軸２３と、この疑似歯車支軸２３に支えられ歯車１５に噛み合う疑似歯車２４と、この疑似歯車２４の歯先２５、２５の各々に埋設した検出コイル２６、２６と、固定台２１に内蔵され検出コイル２６で検出した情報を外部へ取り出すスリップリング機構２７と、固定台２１に設けられている鉄芯３１と、この鉄芯３１の先端に巻かれた励磁コイル３２、３２と、これらの励磁コイル３２、３２に交流電源を印加する交流電源３３と、スリップリング機構２７を介し検出コイル２６から検出情報を取得して浸炭深さに換算する浸炭深さ換算装置３４と、得られた浸炭深さを合格基準範囲と比較して合否を判定する合否判定部３５と、得られた合否判定に基づいて、合格、不合格を表示する合否表示部３６と、からなる。

スリップリング機構２７は、固定台２１に固定される固定ケース４１と、この固定ケース４１に軸受４２を介して回転自在に支持され疑似歯車２４と共に回転する回転軸４３と、この回転軸４３に絶縁体４４を介して固定されている集電環４５と、固定ケース４１に設けられ集電環４５にすり接触しながら検出コイル２６から取得した検出情報を外部へ取り出すブラシ４６と、からなる。

なお、合否判定部３５は、計測データの何番目が不合格であるかを確認することでき、合否表示部３６によるモニター表示の他、印刷、音声案内及び複数個設置され不合格番目を表すＬＥＤの点灯など、１個の歯車の複数箇所を強度を評価したうち何番目が不合格かを認識できれば、他の合否確認手段であってもよい。

図２は図１の２−２線断面図であり、歯車支軸１６に支えられている歯車１５と、疑似歯車支軸２３に支えられている疑似歯車２４は噛み合っている。歯車１５が矢印（１）のように駆動すると、疑似歯車２４が矢印（２）のように従動して回転する。この結果、歯先２５の各々に埋設した検出コイル２６で連続的に自動検出できる。

図３は図１の３線断面図であり、検出コイル２６は、絶縁性に富む三角形断面のナイロンなどの樹脂体４７を介して疑似歯車２４の歯先２５（図１参照）に埋設されている。樹脂体４７と擬似歯車２４には、導線４８を通す連通穴４９が開けられている。樹脂体４７が三角形断面であるため、検出コイル２６を歯車１５の歯底５１に接近させることができる。
また、歯車１５と疑似歯車２４の軸間距離は一定であるため、歯底５１から検出コイル２６の距離を一定化することができる。この結果、測定の信頼性を高めることができる。

ところで、図１で説明した浸炭深さ換算装置３４には、測定で得られたＸ電圧を浸炭深さに換算する換算表を記憶させる必要がある。そこで、図１の歯車強度評価装置１０を用いて、周波数を１ｋＨｚに設定し、真空浸炭済みの歯車の「Ｘ電圧」を測定した。この測定は非破壊検査に相当する。
次に、この歯車を切断し、切断面を磨いてから、「硬さ」を測定し、「浸炭深さ」を定めることにした。この測定は破壊検査に相当する。

図４は測定で得られた硬さを表したグラフである。
先ず、歯車強度評価装置１０を用いて、周波数を１ｋＨｚに設定し、真空浸炭済みの歯車の「Ｘ電圧」を測定したところ、Ｘ電圧は−６７ｍＶであった。次に、切断し、切断面を磨き、この切断面を測定対象として、表面から０．１ｍｍ毎に、１．０ｍｍまで、マイクロビッカース硬さ計で、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を測った。

図４は測定で得られた硬さを表したグラフであり、（ａ）は、横軸が表面からの深さで、縦軸がビッカース硬さであるグラフに、生のデータをプロットしたものである。

ところで、この種の歯車では、「表面から○○ｍｍの深さで、ロックウエルＣスケール硬さが５０以上であること」と言った要求仕様が出されることが多い。ロックウエルＣスケール硬さ５０は、換算表によれば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）５１３に相当する。
そこで、（ａ）にプロットした複数の点を滑らかな曲線で繋ぐ。

結果、（ｂ）示すグラフが得られる。そこで、縦軸の５１３から横線を引き、曲線に交わったところから、縦線を降ろし、この縦線が横軸と交わったところの距離を読む。表面からの距離は０．６４ｍｍであった。

図５はＸ電圧と浸炭深さの相関図であり、横軸が浸炭深さ（表面からの距離に相当。）で、縦軸がＸ電圧であるグラフに、１個のデータ（０．６４ｍｍ、−６７ｍＶ）を●でプロットした。
浸炭条件を変えて得られたサンプルを２１個作製し、これらのサンプルについても図４（ａ）、（ｂ）での手順を踏んで、浸炭深さとＸ電圧を定めた。２１個のサンプルについては○で、グラフにプロットした。

１個の●と２１個の○は右下りの直線に沿って分散している。縦軸のＸ電圧が測定で得られれば、この相関図により、得られたＸ電圧に対応する浸炭深さを求めることができる。
また、詳細な計算法は省略するが、この分散における相関係数（ｒ^２）は０．９２であった。

以上の説明から明らかなように、本発明は次の点にも特徴がある。すなわち、図４（ａ）、（ｂ）で説明したように、得られた硬さと深さは、測定で得られた硬さを、歯車の表面から中心に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得る。点を結んで曲線を得るようにしたので、測定点の数を少なく設定することができ、測定時間が短縮でき、測定コストの低減を図ることができる。

又、図４で求めた硬さという定量的データに基づいて、浸炭深さが決められる。すなわち、図４で説明したように、破壊検査による硬さデータと、非破壊検査によるＸ電圧との突き合わせが行われる。この後は、非破壊検査によりＸ電圧を求め、図５に基づいて、浸炭深さに換算する。非破壊検査であるにも拘わらず、破壊検査での裏付けがなされているので、非破壊検査で求めた浸炭深さの信頼性が飛躍的に高まる。

次に、好適な周波数を特定することを目的に、７００Ｈｚから４ｋＨｚまで周波数を変えて、各周波数当たり２２個のサンプルを準備し、図５と同様の相関図を作成し、相関係数を求めた。その結果を次図に示す。
図６は周波数と相関係数の関係を示すグラフであり、１ｋＨｚが最大で、２ｋＨｚ以上では相関係数が小さくなった。一方、７００〜１ｋＨｚでは、変化は小さい。
真空浸炭された歯車の歯底の浸炭深さを調べるには、周波数は７００〜１ｋＨｚの範囲に設定することが望ましいことが分かった。

以上の構成からなる歯車強度評価装置１０の作用を次に説明する。
図７は歯車強度評価装置の作用説明図であり、（ａ）に示すように、歯車１５を静止状態にある疑似歯車２４へ、矢印（３）のように前進させ、検査位置に歯車１５をセットする。（ｂ）に示すように、検出コイル２６に任意の歯底５１を臨ませ、歯底５１の浸炭深さを検出する。この検出した情報を図１に示したスリップリング機構２７で取り出し、浸炭深さの合否を判定させる。
次に、（ｃ）に示すように、歯車１５を１ピッチ（歯一枚分）だけ回す（矢印（４））。すると、隣の歯底５１が検査コイル２６に臨む。以降、（ｂ）に戻って作業を継続する。
例えば、歯車１５の歯数が４０であり、疑似歯車２４の歯数が２０であれば、疑似歯車２４を２回転させることで、歯底５１の全数検査が終了する。なお、歯車１５、疑似歯車２４の歯数は、それぞれ４０、２０に限定されず、疑似歯車２４が歯車１５に噛み合えば、他の歯数でもかまわない。
この継続する作業をフローで再度説明する。

図８は本発明の歯車強度評価法に好適な作業フロー図であり、ステップ番号（以下ＳＴと略記する。）０１で、合格基準深さ範囲Ｄｓを定める。例えば、合格基準深さ範囲Ｄｓは０．５ｍｍ〜０．８ｍｍとする。この０．５ｍｍ〜０．８ｍｍを図１の合否判定部３５へインプットする。
ＳＴ０２で、測定対象とする歯車の歯数Ｎを、図１の制御部１９へインプットする。測定回数を監視するために、先ず、回数ｎを１とする（ＳＴ０３）。

図６（ａ）の要領で、歯車を前進させる（ＳＴ０４）。図７（ｂ）の要領で、歯底のＸ電圧を測定させる（ＳＴ０５）。図１の浸炭深さ換算装置３４により、Ｘ電圧を浸炭深さＤａに換算させる（ＳＴ０６）。図１の合否判定部３５により、測定で得られた浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓの範囲に入っているか否かを調べる（ＳＴ０７）。ＹＥＳであれば、「合格」の表示をする（ＳＴ０８）。

ここで、測定回数を調べる（ＳＴ０９）。初回はｎは１である。例えば歯車の歯数Ｎが４０であれば、ｎ＜Ｎであるから、ＮＯを進み、ｎに１を加える（ＳＴ１０）。そして、図７（ｃ）の要領で、歯車を歯１個分だけ回転させる（ＳＴ１１）。そして、ＳＴ０５から再度、歯底の浸炭深さを測定する。

ＳＴ０７で、浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓ内でなければ、ＮＯを進み、不合格表示を行う（ＳＴ１２）。不合格の場合は、この歯車に対する測定をこの時点で終了させることができる。

ＳＴ０９で、測定回数ｎが歯数Ｎに到達すれば、歯底の全数を検査したことになるので、ＹＥＳを進み、歯車を後退させ（ＳＴ１３）、測定終了の表示を行い、測定を終了する（ＳＴ１４）。

尚、本発明の歯車強度評価装置は、図１に示した疑似歯車２４やスリップリング機構２７以外の形態や構成からなる装置で歯車の強度評価をすることは差し支えない。要は、歯車を回転させながら歯車の強度を非破壊的に計測することができるものであれば、歯車強度評価装置の形態、種類は問わない。

本発明は、真空浸炭処理された歯車の浸炭深さを計測する技術に好適である。

本発明の歯車強度評価装置の原理図である。 図１の２−２線断面図である。 図１の３線断面図である。 測定で得られた硬さを表したグラフである。 Ｘ電圧と浸炭深さの相関図である。 周波数と相関係数の関係を示すグラフである。 歯車強度評価装置の作用説明図である。 本発明の歯車強度評価法に好適な作業フロー図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。 従来の歯車の強度評価を説明する図である。 歯車の浸炭深さを説明する図である。

符号の説明

１０…歯車強度評価装置、１５…歯車、２４…擬似歯車、２５…歯先、２６…検出コイル、２７…スリップリング機構、３２…励磁コイル、３４…浸炭深さ換算装置、３５…合否判定部、３６…合否表示部、５１…歯底、Ｄｓ…合格基準深さ、Ｄａ…測定で得られた浸炭深さ。

Claims (7)

1. 歯車を励磁する励磁コイルと、歯車に噛み合う疑似歯車と、この疑似歯車に埋設され渦電流で発生する磁界の変化を検出する検出コイルと、これらの検出コイルで検出した情報を外部へ取り出すスリップリング機構と、からなることを特徴とする歯車強度評価装置。
2. 前記検出コイルは、前記疑似歯車の歯先に埋設されていることを特徴とする請求項１記載の歯車強度評価装置。
3. 前記歯車の歯底の強度を評価する合否判定部を備えていることを特徴とする請求項２記載の歯車強度評価装置。
4. 前記歯車は、真空浸炭処理が施されていることを特徴とする請求項１記載の歯車強度評価装置。
5. 前記疑似歯車は、全ての歯先に各々前記検出コイルが埋設されていることを特徴とする請求項１記載の歯車強度評価装置。
6. 計測データの何番目が不合格であるかを確認できる合否判定部を備えていることを特徴とする請求項１記載の歯車強度評価装置。
7. 請求項１記載の歯車強度評価装置で歯車の強度を評価する歯車強度評価法であって、１個の歯車から複数箇所の情報を取得し、これらの複数箇所測定したうち１箇所以上で合格基準範囲を外れた場合に不合格とすることを特徴とする歯車強度評価法。

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