JP2011106479A - 歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噛合い面において十分な油膜圧力を発生させることにより、摩擦損失を低減して長寿命化を図ることができる歯車装置を提供する。
【解決手段】駆動歯車１０と被駆動歯車２０の噛合い面間に潤滑油が供給される歯車装置において、駆動歯車１０と被駆動歯車２０との噛合い面の少なくとも噛合い始めの歯元領域１２Ｘ₁と歯先領域２２Ｙ₁に、撥油膜１２Ｚ₁、２２Ｚ₁が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、歯車装置、特に、自動車などに用いられ、一方の駆動歯車から他方の被駆動歯車にトルクを伝達するようにした歯車装置に関する。

一般に、かかる歯車装置では、一方の駆動歯車と他方の被駆動歯車との噛合い面間に潤滑油を供給して潤滑油膜を形成し、この潤滑油膜内に生ずる油膜圧力により高い伝達荷重を支持することで、摩擦損失を低減するようにしている。そして、これにより磨耗や焼付きを防止して、歯車装置の長寿命化を図っている。

従来、このような高荷重使用下での長寿命化を図る歯車伝達機構として、特許文献１には、少なくとも歯の噛合い部を合金工具鋼で形成し、この噛合い部にリン酸マンガン下地処理層及び固体潤滑膜を順に形成した固体潤滑歯車を備える真空環境用の歯車伝達機構が開示されている。

特公平０７−１１３４０１号公報

ところで、例えば、自動車用の内燃機関やトランスミッションなどに用いられている鉄系材料の歯車では、駆動歯車と被駆動歯車との噛合い面に所定の油膜圧力が発生しないと、該部位において、いわゆる油膜切れなどが生じ、流体潤滑域から噛合い面同士が部分的に直接に接触する混合潤滑域や境界潤滑域に移行し、両者間の摩擦損失の増大、延いては、磨耗や発熱、焼き付などを招き、寿命が短命となるおそれがある。したがって、通常は、このような事態を避けるべく、十分な量の潤滑油を供給しつつ、駆動歯車と被駆動歯車との噛合い面の互いの面圧が小さくなるように、歯車の径や歯形を大きくしたり、歯車の幅を広くするなどの対策が採られている。

しかしながら、このような対策を採ることは歯車の大型化やコスト上昇を招くことから、これを避けるべく、歯車の寸法を変えずに歯形そのものにより十分な油膜圧力を発生させて、摩擦損失を低減することのできる歯車の出現が求められている。

なお、上述の特許文献１に開示された真空環境用の歯車伝達機構は、潤滑油を用いない固体潤滑歯車の技術であり、油膜圧力については言及されていない。

そこで、本発明の目的は、上記従来の実情に鑑みなされたもので、噛合い面において十分な油膜圧力を発生させることにより、摩擦損失を低減して長寿命化を図ることができる歯車装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る歯車装置の一形態は、駆動歯車と被駆動歯車の噛合い面間に潤滑油が供給される歯車装置において、前記駆動歯車と前記被駆動歯車との噛合い面の少なくとも噛合い始めの所定の領域に、撥油膜が形成されていることを特徴とする。

ここで、前記少なくとも噛合い始めの所定の領域は、前記駆動歯車の所定の歯元領域及び前記被駆動歯車の所定の歯先領域であることが好ましい。

なお、前記駆動歯車と前記被駆動歯車との噛合い面のピッチ点手前の所定の領域に、さらに撥油膜が形成されていてもよい。

本発明に係る歯車装置の一形態によれば、駆動歯車と被駆動歯車との噛合い始めにおいて、噛合い面間に供給された潤滑油は、この噛合い面の滑り速度の大きい噛合い始めの所定の領域に形成されている撥油膜に接触するが、それらの接触面での滑りのために、滑り速度の影響を受けずに、この所定の領域に留まろうとする。そして、この所定の領域に留められていた潤滑油は駆動歯車と被駆動歯車の回転の進行に伴い噛合い面で圧搾されて移動するが、撥油膜の領域を外れた位置でその移動が急停止されることになる結果、油膜厚さが確保され、大きな油膜圧力を得ることができる。かくて、滑り速度が大きく油膜厚さが確保され難い噛合い始めにおいて、摩擦損失を低減して長寿命化を図ることができる。

また、前記駆動歯車と前記被駆動歯車との噛合い面のピッチ点手前の所定の領域に、さらに撥油膜が形成されている形態によれば、噛合い面の滑り速度がゼロであり油膜が形成されないピッチ点付近においても、上述の場合と同様に、撥油膜の領域を外れた位置で油膜厚さが確保され油膜圧力を得ることができる。

本発明が適用される歯車装置の側面を示す模式的説明図である。 本発明の実施形態による歯車装置において、噛合い始めでの油膜圧力増加の様子を説明するための部分拡大側面図であり、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）は初期状態から僅かに回転が進行した状態を示している。 本発明の実施形態による歯車装置において、ピッチ点付近での油膜圧力増加の様子を説明するための部分拡大側面図であり、（Ａ）はピッチ点手前の初期状態、（Ｂ）は初期状態から僅かに回転が進行した状態を示している。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、図１は本発明が適用される歯車装置の側面を示す模式的説明図であり、１０は不図示の回転中心の回りに回転する駆動歯車、２０は駆動歯車１０に駆動されて同じく不図示の回転中心の回りに回転する被駆動歯車である。なお、図示の歯車装置では、駆動歯車１０及び被駆動歯車２０はそれぞれ所定の歯数のインボリュート歯形１２及び２２を有している。そして、両歯形１２及び２２はそれぞれの噛合い面が、図１に示す滑り速度及び転がり速度の関係を有して接触しつつ、駆動歯車１０から被駆動歯車２０へ動力が伝達されるようになっている。今、駆動歯車１０が矢示の反時計回り、被駆動歯車２０が同じく矢示の時計回りに回転しつつ動力が伝達されているとし、歯形１２及び歯形２２の接触点Ｓにおける歯形１２の接線方向の分速度をＶ₂、歯形２２の接線方向の分速度をＶ₁とすると、接線方向の分速度Ｖ₁、Ｖ₂の相対速度「Ｖ₁−Ｖ₂」が滑り速度となる。なお、歯形１２及び歯形２２の接触点Ｓにおける法線方向の分速度は、両者が接触を保ちながら回転伝道を行う条件として等しい。

そこで、図１に示す歯車装置では、駆動歯車１０の歯形１２と被駆動歯車２０の歯形２２との噛合い始めにおいては、接触点Ｓで「歯形２２の接線方向の分速度Ｖ₁＞歯形１２の接線方向の分速度をＶ₂」であり、相対速度「Ｖ₁−Ｖ₂」、すなわち、滑り速度が最大となる。

そして、接触点Ｓが駆動歯車１０と被駆動歯車２０のピッチ円（一点鎖線で示す）上にあるとき（以下、ピッチ点Ｓ_Pと称す）には、「歯形２２の接線方向の分速度Ｖ₁＝歯形１２の接線方向の分速度Ｖ₂」であり、滑り速度はゼロとなる。また、駆動歯車１０の歯形１２と被駆動歯車２０の歯形２２との噛合い終わりにおいても、相対速度の方向は逆であるが滑り速度は最大となる。なお、転がり速度は、図１にハッチングで示されるように、ピッチ点Ｓ_Pにおいて最大であり、噛合い始め及び噛合い終わりに向かい小さくなる。

そこで、本発明の実施形態における歯車装置では、駆動歯車１０の歯形１２と被駆動歯車２０の歯形２２との噛合い面の噛合い始めの所定の領域に、撥油膜が形成されている。より詳しくは、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、駆動歯車１０の歯形１２の歯元領域１２Ｘ₁と被駆動歯車２０の歯形２２の歯先領域２２Ｙ₁とにそれぞれ撥油膜１２Ｚ₁，２２Ｚ₁が形成されている。なお、これらの撥油膜１２Ｚ₁，２２Ｚ₁は、上述の噛合い面において滑り速度の方向に所定の幅に亘って形成されている。但し、図２（Ａ）及び（Ｂ）においては、理解の容易化のために、撥油膜１２Ｚ₁，２２Ｚ₁をそれぞれの歯形１２，２２の肉部内に太実線で示し、歯形１２，２２同士の間に間隔を空けて示したが、撥油膜１２Ｚ₁，２２Ｚ₁は、実際には歯形１２，２２の噛合い面に形成され、また、歯形１２，２２同士も接触点Ｓにおいて動力を伝達する程度において接触していることが理解されるべきである。

ここで、撥油膜１２Ｚ₁，２２Ｚ₁を形成するに際しては、噛合い面に対して何等の処理を施さずに、駆動歯車１０の歯形１２の歯元領域１２Ｘ₁と被駆動歯車２０の歯形２２の歯先領域２２Ｙ₁とのそれぞれの所定の幅のみに対して、撥油材料を塗布することによってもよい。また、上述の何等の処理も施さなかった噛合い面に対しては、そのままに放置する代わりに、非撥油又は低撥油材料を塗布するようにしてもよい。なお、撥油材料としては、フルオロアルキルシランを用いることができ、例えば、エタノール、テトラエトキシシラン、フルオロアルキルシラン、及び塩酸水溶液の混合液を噛合い面の上記所定の幅の領域に塗布した後、大気炉において約２００℃で約３０分間焼成するようにしてもよい。このようにすると、駆動歯車１０の歯形１２及び被駆動歯車２０の歯形２２の基材（例えば、鉄）にシラノール基（О−Ｓｉ−Ｏ；ガラス層ＳｉＯ２）が強固に形成され、シラノール基の末端すなわち最表面に撥油性の高いＲｆ基（フッ素）が形成され、撥油膜の噛合い面が得られる。

また、非撥油又は低撥油材料としては、上記の混合液からフルオロアルキルシランを除いた混合液を用いることができ、同様に塗布した後に焼成するようにしてもよい。このようにすると、駆動歯車１０の歯形１２及び被駆動歯車２０の歯形２２の基材にシラノール基（О−Ｓｉ−Ｏ；ガラス層ＳｉＯ２）のみが形成されて、非撥油膜又は低撥油膜の噛合い面が得られる。

なお、非撥油又は低撥油材料、及び撥油材料を、部位は異なるが、同時に塗布するに際しては、ローラ表面に、上記エタノール、テトラエトキシシラン、フルオロアルキルシラン、及び塩酸水溶液の混合液と、上記エタノール、テトラエトキシシラン、及び塩酸水溶液の混合液とを部位を異ならせて塗布して、駆動歯車１０の歯形１２及び被駆動歯車２０の歯形２２に転写し、そして焼成すればよい。このようにすると、非撥油膜又は低撥油膜と撥油膜との間に段差を有することなく噛合い面が形成される。具体的には、撥油膜の最表面側のＲｆ基は数ｎｍ程度の厚さであり、両者に共通するシラノール基（О−Ｓｉ−Ｏ）の厚さ６０〜２００ｎｍに比べて極めて薄く、マクロ的には両者の膜厚にはほとんど差がない、平滑な膜の噛合い面が得られる。したがって、摩擦損失をさらに低減することができる。

このように構成された本実施形態の作用を説明する。今、潤滑油の供給を受けながら駆動歯車１０が矢示の反時計回り、被駆動歯車２０が同じく矢示の時計回りに回転しつつ動力が伝達されているとする。この供給された潤滑油は、駆動歯車１０及び被駆動歯車２０の回転に伴い、被駆動歯車２０の歯形２２と駆動歯車１０の歯形１２との間で接触点Ｓの近傍に形成された隙間において、接線方向の分速度Ｖ₁を有する歯形２２及び接線方向の分速度Ｖ₂を有する歯形１２の相対（滑り）速度の方向に流れようとする。しかし、噛合い始めにおいて、撥油膜２２Ｚ₁が形成されている被駆動歯車２０の歯形２２の歯先領域２２Ｙ₁と、撥油膜１２Ｚ₁が形成されている駆動歯車１０の歯形１２の歯元領域１２Ｘ₁とに接触している潤滑油は、それぞれの撥油膜２２Ｚ₁及び撥油膜１２Ｚ₁との接触面での滑りのために、歯形２２と歯形１２の相対（滑り）速度の影響を受けず、撥油膜２２Ｚ₁と撥油膜１２Ｚ₁との間の隙間に留まろうとする。そして、駆動歯車１０及び被駆動歯車２０のさらなる回転により、接触点Ｓがピッチ点Ｓｐに向けて移動するのに伴い、この撥油膜２２Ｚ₁と撥油膜１２Ｚ₁との間の隙間に留められていた潤滑油は圧搾されて、図２（Ａ）に矢印Ｄで示すように、ピッチ点Ｓｐの方向に所定の速度をもって移動される。

そして、駆動歯車１０と被駆動歯車２０との回転がさらに進むと、接触点Ｓは所定の領域に形成された撥油膜２２Ｚ₁と撥油膜１２Ｚ₁との間の隙間を外れることになる。すると、潤滑油は、最早、撥油膜２２Ｚ₁及び撥油膜１２Ｚ₁とに接触することがなくなり、その移動が急停止されることになる。この結果、撥油膜２２Ｚ₁と撥油膜１２Ｚ₁とが形成された所定の領域を外れた接触点Ｓにおいては、図２（Ｂ）に示すように、多くの潤滑油が瞬間的に確保され、換言すると、油膜厚さが確保され、油膜圧力Ｐa₁（実線で示す）を得ることができる。この油膜圧力Ｐa₁は、かかる撥油膜が形成されていない従来の歯車装置における油膜圧力Ｐb₁（破線で示す）に比べてより大きい。したがって、この大きな油膜圧力Ｐa₁により、滑り速度が大きく油膜厚さが確保され難い噛合い始めにおいても、駆動歯車１０の歯形１２及び被駆動歯車２０の歯形２２とのの噛合い面における摩擦損失を低減することができる。

次に、上述の本発明の実施形態における歯車装置に対し、独立的又は付加的に構成可能な実施形態を説明する。この実施形態では、駆動歯車１０の歯形１２と被駆動歯車２０の歯形２２との噛合い面のピッチ点手前の所定の領域に、撥油膜が形成されている。より詳しくは、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、駆動歯車１０の歯形１２のピッチ点手前領域１２Ｘ₂と被駆動歯車２０の歯形２２のピッチ点手前領域２２Ｙ₂とに、それぞれ撥油膜１２Ｚ₂，２２Ｚ₂が形成されている。なお、これらの撥油膜１２Ｚ₂，２２Ｚ₂は、上述の噛合い面において滑り速度の方向に所定の幅に亘って形成されている。但し、図３（Ａ）及び（Ｂ）においては、図２（Ａ）及び（Ｂ）の場合と同様に、理解の容易化のために、撥油膜１２Ｚ₂，２２Ｚ₂をそれぞれの歯形１２，２２の肉部内に太実線で示し、歯形１２、２２同士の間に間隔を空けて示したが、実際には撥油膜１２Ｚ₂，２２Ｚ₂は歯形１２，２２の噛合い面に形成され、また、歯形１２，２２同士も接触点Ｓにおいて動力を伝達する程度に接触していることは理解されるべきである。

なお、これらの撥油膜１２Ｚ₂，２２Ｚ₂は、上述の撥油膜１２Ｚ₁，２２Ｚ₁の形成方法と同様の方法で形成することができる。

このように構成された本実施形態の作用を説明する。今、潤滑油の供給を受けながら駆動歯車１０が矢示の反時計回り、被駆動歯車２０が同じく矢示の時計回りに、図２に示した噛合い始めの状態からさらに回転が進行し、動力が伝達されているとする。この供給された潤滑油は、噛合い始めの所定の領域における場合と同様に、被駆動歯車２０の歯形２２のピッチ点手前領域１２Ｙ₂に形成されている撥油膜２２Ｚ₂と駆動歯車１０の歯形１２のピッチ点手前領域１２Ｘ₂に形成されている撥油膜１２Ｚ₂との接触面での滑りのために、歯形２２と歯形１２の相対（滑り）速度の影響を受けず、撥油膜２２Ｚ₂と撥油膜１２Ｚ₂との間の隙間に留まろうとする。

そして、駆動歯車１０と被駆動歯車２０とのさらなる回転により接触点Ｓがピッチ点Ｓｐに向けて移動するのに伴い、この撥油膜２２Ｚ₂と撥油膜１２Ｚ₂との間の隙間に留められていた潤滑油は圧搾されて、図３（Ａ）に矢印Ｅで示すように、ピッチ点Ｓｐの方向に所定の速度をもって移動される。

そして、駆動歯車１０と被駆動歯車２０との回転がさらに進むと、接触点Ｓは所定の領域に形成された撥油膜２２Ｚ₂と撥油膜１２Ｚ₂との間の隙間を外れることになる。すると、潤滑油は、最早、ピッチ点手前の撥油膜２２Ｚ₂及び撥油膜１２Ｚ₂とに接触することがなくなり、その移動が急停止されることになる。この結果、撥油膜２２Ｚ₂と撥油膜１２Ｚ₂とが形成されたピッチ点手前の所定の領域を外れたピッチ点Ｓｐ付近においては、図３（Ｂ）に示すように、潤滑油が瞬間的に確保され、換言すると、油膜厚さが確保され、滑り速度がゼロであり油膜が形成されないピッチ点Ｓｐ付近においても、同様に、油膜圧力Ｐa₂を得ることができる。この油膜圧力Ｐa₂により、大きな伝達荷重が作用する、駆動歯車１０の歯形１２及び被駆動歯車２０の歯形２２との噛合い面におけるピッチ点Ｓｐ付近においても摩擦損失を低減することができる。

以上、駆動歯車と被駆動歯車との噛合い面の噛合い始めの所定の領域、又は噛合い面のピッチ点手前の所定の領域に、撥油膜が形成された実施形態について説明したが、この撥油膜は滑り速度が大きい噛合い面の噛合い終わりの所定の領域にも付加的に形成するようにしてもよい。このようにすると、噛合い面の全体に亘り摩擦損失を低減することができる。

１０ 駆動歯車
１２ 歯形
１２Ｘ₁ 歯元領域
１２Ｘ₂ ピッチ点手前領域
１２Ｚ₁、１２Ｚ₂ 撥油膜
２０ 被駆動歯車
２２ 歯形
２２Ｙ₁ 歯先領域
２２Ｙ₂ ピッチ点手前領域
２２Ｚ₁、２２Ｚ₂ 撥油膜
Ｓ 接触点
Ｓ_P ピッチ点

Claims (3)

1. 駆動歯車と被駆動歯車の噛合い面間に潤滑油が供給される歯車装置において、
   前記駆動歯車と前記被駆動歯車との噛合い面の少なくとも噛合い始めの所定の領域に、撥油膜が形成されていることを特徴とする歯車装置。
2. 前記少なくとも噛合い始めの所定の領域は、前記駆動歯車の所定の歯元領域及び前記被駆動歯車の所定の歯先領域であることを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
3. 前記駆動歯車と前記被駆動歯車との噛合い面のピッチ点手前の所定の領域に、さらに撥油膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の歯車装置。

Images