JP2010266042A - 動力装置用歯車および動力装置用歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 歯車の加速歯面および減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを特定することでコストおよび耐久性を両立させた動力装置用歯車と、その歯車の製造方法とを提供する。
【解決手段】 歯車形状に加工したワークＷを自転させながらＰＶＤ法により硬質炭素皮膜１３を成膜する際に、前記自転の方向を歯車が組み込まれた動力装置の加速時に歯車が回転する方向と同一としたので、硬質炭素皮膜１３を構成するスパッタ粒子をワークＷの自転方向遅れ側の減速歯面１２よりも自転方向進み側の加速歯面１１に多く付着させることで、加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さを減速歯面１２の硬質炭素皮膜１３の厚さよりも大きくする。よって、比較的に大きい負荷を受ける加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さを充分に確保して耐久性を高めながら、比較的に小さい負荷を受ける減速歯面１２の硬質炭素皮膜１３の厚さが過剰になるのを防止してコストダウンに寄与することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、動力装置に組み込まれて駆動力を伝達する歯車の表面を炭素硬質皮膜で被覆した動力装置用歯車と、その歯車の製造方法とに関する。

歯車の歯面にＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）等の硬質炭素皮膜を施すとともに特定成分を含有する潤滑剤と組み合わせることで、歯面の摩擦抵抗を低減して動力伝達効率を高める技術が、下記特許文献１により公知である。

特開２００５−６１６１０号公報

ところで動力装置に組み込まれた歯車には、その動力装置の加速時に駆動力を伝達する歯面と減速時に駆動力（制動力）を伝達する歯面とが存在し、前者の歯面（加速歯面）が受ける負荷の大きさや負荷の頻度は後者の歯面（減速歯面）に比べて大きくなる。しかしながら上記従来のものは、加速歯面および減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを考慮していないため、加速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを該加速歯面の耐久性を満たす大きさに設定すると、減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さが過剰になって無駄なコストが嵩む問題がある。また減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを該減速歯面の耐久性を満たす大きさに設定すると、加速歯面の硬質炭素皮膜の厚さが不足して該加速歯面の耐久性が不足する問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、歯車の加速歯面および減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを特定することでコストおよび耐久性を両立させた動力装置用歯車と、その歯車の製造方法とを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、動力装置に組み込まれて駆動力を伝達する歯車の表面を硬質炭素皮膜で被覆した動力装置用歯車であって、前記動力装置の加速時に負荷の加わる歯面の硬質炭素皮膜の厚さを他の歯面の硬質炭素皮膜の厚さよりも大きくしたことを特徴とする動力装置用歯車が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１に記載の動力装置用歯車の製造方法であって、歯車形状に加工したワークを自転させながらＰＶＤ法により硬質炭素皮膜を成膜するものであり、前記自転の方向は前記動力装置の加速時に前記歯車が回転する方向と同一とすることを特徴とする動力装置用歯車の製造方法が提案される。

尚、実施の形態の加速歯面１１は本発明の動力装置の加速時に負荷の加わる歯面に対応し、実施の形態の減速歯面１２は本発明の他の歯面に対応する。

請求項１の構成によれば、動力装置用歯車の表面の硬質炭素皮膜のうち、動力装置の加速時に負荷の加わる歯面の硬質炭素皮膜の厚さを他の歯面の硬質炭素皮膜の厚さよりも大きくしたので、比較的に大きい負荷を受ける加速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを充分に確保して耐久性を高めながら、比較的に小さい負荷を受ける減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さが過剰になるのを防止してコストダウンに寄与することができる。

また請求項２の構成によれば、歯車形状に加工したワークを自転させながらＰＶＤ法により硬質炭素皮膜を成膜する際に、前記自転の方向を動力装置の加速時に歯車が回転する方向と同一としたので、硬質炭素皮膜を構成する粒子をワークの自転方向進み側の加速歯面により多く付着させ、ワークの自転方向遅れ側の減速歯面により少なく付着させることで、加速歯面の硬質炭素皮膜の厚さを減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さよりも大きくすることができる。

歯車の加速歯面および減速歯面の硬質炭素皮膜の厚さ分布を示す図。 ＰＶＤ法による硬質炭素皮膜の成膜装置の構造を示す図。 硬質炭素皮膜の成膜装置の原理を示す模式図。

以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

本実施の形態の歯車Ｇは、自動車のエンジンの駆動力を駆動輪に伝達する動力伝達経路に配置される傘歯車であり、図１に示すように、歯車Ｇは、車両の加速時に駆動力を伝達する加速歯面１１と、車両の減速時（エンジンブレーキ時）に駆動力（制動力）を伝達する減速歯面１２とを備える。歯車Ｇの表面はＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）を含む硬質炭素皮膜１３で被覆される。ＤＬＣはアモルファス状の炭素あるいは水素化炭素より成るもので、高い硬度と低い摩擦係数を有している。

ＤＬＣ皮膜の形成にあたっては、通常、モリブデン鋼等で構成される歯車との密着性向上を図るため、Ｔｉ、Ｃｒなどの下地層や、金属元素をドープしたＤＬＣ中間層を介在させたりしている。

硬質炭素皮膜１３の厚さは加速歯面１１と減速歯面１２とで異なっており、加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さが減速歯面１２の硬質炭素皮膜１３の厚さよりも大きくなっている。

表１は、加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さが減速歯面の硬質炭素皮膜１３の厚さよりも大きい実施の形態の歯車Ｇ（Ａ、Ｂ、Ｃの３例）と、逆に加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さが減速歯面の硬質炭素皮膜１３の厚さよりも小さい比較例の歯車Ｇ（Ｄ、Ｅ、Ｆの３例）とについて行った耐久テストの結果を示すものである。

硬質炭素皮膜１３の膜厚は、歯車Ｇの歯面の歯先、歯央および歯元の膜厚の平均値である。また耐久テストの方法は、自動車の変速機に歯車Ｇを組み込み、一定の条件で加速、減速および変速を行うモードで走行させた後に目視で硬質炭素皮膜１３の状態を観察し、摩耗の認められないものをＯＫとし、摩耗の認められるものをＮＧとした。実施の形態のＡ、Ｂ、Ｃの３例の歯車Ｇのテスト結果は全てＯＫであり、比較例のＤ、Ｅ、Ｆの３例の歯車Ｇのテスト結果は全てＮＧであった。

このように、歯車Ｇの加速歯面１１は減速歯面１２に比べて大きな負荷を高い頻度で受ける可能性があるが、その加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３を厚くすることで耐久性を高めることができる。一方、加速歯面１１に比べて耐久性上有利な減速歯面１２の硬質炭素皮膜１３を薄くすることで、減速歯面１２の硬質炭素皮膜１３が必要以上に厚くなるのを防止してコストダウンに寄与することができ、歯車Ｇの耐久性およびコストダウンを両立させることができる。

次に、図２および図３に基づいて硬質炭素皮膜１３を有する歯車Ｇの製造方法を説明する。

図２に示すように、歯車Ｇの母材に物理気相合成法（ＰＶＤ）により硬質炭素皮膜１３を成膜するためのＵＢＭＳ（アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング・システム）２１は真空チャンバ２２を備えており、その中央には公転軸２３まわりに時計方向に公転可能なワークテーブル２４が配置される。ワークテーブル２４には、硬質炭素皮膜１３を成膜する前の歯車Ｇである６個のワークＷ…が公転軸２３の周囲を囲むように円周方向に等間隔に配置されており、各ワークＷは自転軸２５…まわりに公転方向と同じ時計方向に回転する。真空チャンバ２２の周壁に等間隔で配置された４個のＵＢＭ源２６…には、硬質炭素皮膜１３の材料となる平板状のターゲット２７が取り付けられる。また真空チャンバ２２の周壁にはヒータ２９が配置される。

ワークテーブル２４にセットしたワークＷ…の表面に硬質炭素皮膜１３を成膜するには、先ず真空チャンバ２２の内部を高真空に減圧したした後に、ワークＷ…や真空チャンバ２２の内部を脱ガスするためにヒータ２９で予備加熱する。ワークＷ…に負のバイアス電圧を印可し、発生したＡｒイオンをワークＷ…に衝突させる。これにより、硬質炭素皮膜１３の密着性を高めるべく、ワークＷ…の表面をエッチングしてクリーニングするとともにワークＷ…の温度を上昇させる。

続いて、ＵＢＭ源２６…に電力を供給してグロー放電を開始すると発生したＡｒイオンがターゲット２７に衝突し、スパッタ蒸発現象により吹き飛ばされたターゲット２７の原子／分子が対向する位置に存在するワークＷ…の表面に堆積して硬質炭素皮膜１３が成膜する。その際に、ターゲット２７の表面に収束していたＡｒプラズマの一部をワークＷ…へと拡散させることで、ワークＷ…に照射されるスパッタ粒子の量を増加させることができる。

上述のようにしてワークＷの表面に硬質炭素皮膜１３を成膜する過程で、図３に示すように、ワークＷ…は時計方向に自転するため、ワークＷ…の自転方向進み側に位置する加速歯面１１にスパッタ粒子が衝突する確率が、自転方向遅れ側に位置する減速歯面１２にスパッタ粒子が衝突する確率よりも高くなる。その結果、加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さを減速歯面１２の硬質炭素皮膜１３の厚さよりも大きくすることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、歯車ＧのワークＷを回転させながらスパッタ粒子を堆積させて硬質炭素皮膜１３を成膜するという簡単な方法で、歯車Ｇの加速歯面１１の硬質炭素皮膜１３の厚さを減速歯面１２の厚さよりも大きくすることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では動力装置として自動車を示したが、本発明は他の任意の動力装置に適用することができる。

また実施の形態の歯車Ｇは傘歯車であるが、それ以外の任意の種類の歯車であっても良い。

また実施の形態では。物理気相合成法（ＰＶＤ）としてスパッタリング法を採用しているが、アークイオンプレーティング法を採用することも可能である。

１１ 加速歯面（動力装置の加速時に負荷の加わる歯面）
１２ 減速歯面（他の歯面）
１３ 硬質炭素皮膜
Ｇ 歯車
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. 動力装置に組み込まれて駆動力を伝達する歯車（Ｇ）の表面を硬質炭素皮膜（１３）で被覆した動力装置用歯車であって、
   前記動力装置の加速時に負荷の加わる歯面（１１）の硬質炭素皮膜（１３）の厚さを他の歯面（１２）の硬質炭素皮膜（１３）の厚さよりも大きくしたことを特徴とする動力装置用歯車。
2. 請求項１に記載の動力装置用歯車の製造方法であって、
   歯車形状に加工したワーク（Ｗ）を自転させながらＰＶＤ法により硬質炭素皮膜（１３）を成膜するものであり、前記自転の方向は前記動力装置の加速時に前記歯車（Ｇ）が回転する方向と同一とすることを特徴とする動力装置用歯車の製造方法。

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