JP2014043929A - 太陽歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】歯面の噛み合いピッチ点におけるヘルツの接触応力を減少させることに着目して提案されたもので、噛み合いピッチ点近傍における歯面の最小曲率半径を極大にした自由曲面から構成された太陽用歯車を提供することを目的としている。
【解決手段】歯面１２の歯先側はインボリュートヘリコイド曲面から構成され、この曲面に続く噛み合いピッチ点Ｐ近傍は、曲率半径を極大化するサイクロイドヘリコイド曲面又は円弧ヘリコイド曲面から構成される自由曲面が連接し、更にこの自由曲面に続く歯元側に、インボリュートヘリコイド曲面が連接することを特徴とする太陽歯車である。
【選択図】図３

Description

この発明は、遊星歯車機構における中心部を構成する太陽歯車に関するものである。詳しくは、オートマチック車の変速機、四輪駆動車のセンターデフ、ハイブリット車の動力分配装置、或いは電気自動車の変速機又はインホイールモーター、建設機械のハブリダクション等に使用される遊星歯車機構において、中心に位置するピニオン歯車からなる太陽歯車で、その歯面形状に関する。この太陽歯車の歯面は複合の曲面から構成され、噛み合いピッチ点近傍のサイクロイドヘリコイド曲面又は円弧ヘリコイド曲面及びこれらの歯先側又は歯元側のインボリュートヘリコイド曲面からなる。そして、この複合歯面は熱間鍛造又は冷間鍛造によって形成され、歯面の噛み合いピッチ点近傍における最小曲率半径を極大化することによって面圧疲労強度を向上させる。ここで、最小曲率半径とは、噛み合いピッチ点の近傍を構成する複数の曲面の中で、夫々の曲率半径の最小のものを言う。

遊星歯車機構とは中心に位置する太陽歯車の周りを複数の遊星歯車が自転しつつ公転する構造を有する減速機である。減速を目的として変速機に使用されるようになり、ハイブリット車の動力分配や電気自動車のインホイールモーターや一部の四輪駆動車のセンターデフやプラネタリウム投影機の惑星投影装置や建設機械等のハブ・リダクションや自転車の内装３段式変速機等に使用される。他の減速機構と比較して同軸で減速できるため、コンパクトで剛性が高いが歯面の調整がシビヤとなり歯車には高精度の加工が要求される。特に、遊星歯車機構は、乗用車のトルクコンバータ式オートマチックトランスミッションの補助減速装置や一部の四輪駆動車のセンターデフとして一般的に用いられている。また、ハイブリット車では太陽歯車を発電機に、遊星キャリアをエンジンに、外輪の内歯車を車輪に接続することでエンジンの駆動力を車輪（モーター）と発電機に分配することに用いられる。遊星歯車機構について具体的に図５を参照しながら説明する。遊星歯車機構Ｇは、外周のインターナル歯からなる内歯車ＧＩと、この中心に配置する太陽歯車ＧＳと、内歯車ＧＩと太陽歯車ＧＳの間に配置される複数のピニオン歯車からなる遊星歯車ＧＰとを備え、それぞれの歯車は、回転可能に支持されている。遊星歯車機構は、それぞれ歯数の異なる内歯車ＧＩ、太陽歯車ＧＳ、遊星歯車ＧＰにより、円滑に減速または増速を行うことが可能となる。なお、遊星歯車ＧＰは複数個から構成され、通常は３〜８個で奇数が多く、本図では遊星歯車ＧＰが５個の場合を示した。

遊星歯車機構は以上の構成からなり、最大の問題は面圧疲労によって中心の太陽歯車にピッチングが発生することである。例えば、外周の内歯車と中心の太陽歯車との減速比は噛合い回転速度比率が１：３０であり、中間のピニオン歯車と太陽歯車とはこの中間の減速比となり、この結果３点の歯車同士の噛合いにおいて中心の太陽歯車の回転数が最も大きくなる。ところで、自動車の変速段数について言えば、マニアルトランスミッション（以下ＭＴ）の場合の変速段数が５速或いは６速であるのに対してオートマチックトランスミッション（以下ＡＴ）の場合変速段数は３又は４速或いは５速であり、ＡＴのそれはＭＴ対比一段程少ない。このようにＡＴはＭＴ対比変速段数は少なくてすむが燃費が劣り、加速性のレスポンスが悪くなるので、最近では燃費改善のため８速が出現した。このように変速段数を８速にすると、トルクカーブに対して変速比の細かな切り替えができるので燃費を改善することができる。一方、変速段数が増える分遊星歯車機構における太陽歯車の回転数が増える。そのため、中心の太陽歯車の荷重分担が大きくなるに伴い面圧疲労によって噛み合い面にピッチングが発生する。なお、外周の内歯車は最も回転数が少なくかつ歯形が大きいのでピッチング発生の問題はなく、中間の遊星歯車も荷重分担が少ないのでピッチング発生の問題はない。歯面強度が低い場合、繰り返しの圧縮応力に起因した面圧疲労が原因してピッチング欠陥の他に摩耗、スポーリング、マイクロピッチングが発生し、延いては歯面から小片が剥離して小穴が生じ、或いは、振動騒音を起こして最終的には歯形の折損に至る。或いは歯面強度が低い場合、高荷重のもとで摩耗が生じ、繰り返し圧縮応力により小片が剥離するピッチングが生じ、歯車同士の接触が高速、過酷の条件において、摩擦熱による温度上昇のため油切れにより接触面が融着するスカッフイングが発生する。これらの対策のためには、歯面に作用する疲労限度を超えないように歯車を設計することが重要である。

ところで、日本車と欧州車特にドイツ車とでは太陽歯車に限らず他の変速機用歯車においても、その材料についてのアプローチの仕方が根本的に異なる。即ち、車速が日本車の１００ｋｍ／Ｈｒとドイツの無制限車とでは歯車に掛かる負荷が違う。車速が二倍になると走行抵抗は二乗で効くし、油の温度は三乗で効く。そのため、日本車と同じ材料を採用した場合、ドイツ車のようにアウトバーンを無制限で走るような過酷な条件になると歯面にピッチングが発生し易くなる。欧州車のように性能第一優先で、無制限に走れる車をつくるには、ピッチングの発生を抑えるためにそれに適した歯車の材質やその熱処理方法の選択の考え方が違ってくる。

以上のように歯車にかかる負荷によって、歯形表面にピッチング他の損傷が生じるので、従来からこれらの対策がとられてきた。一つは、歯車の表面強度を改善するために歯車に使用する鋼材料の開発がおこなわれてきた。例えば、鋼の介在物を減少させる溶製法の開発、鋼の成分開発、これらの鋼から製造された歯車を真空浸炭により熱処理する方法の開発、或いは歯車表面の硬化コーティング方法の開発等が実施されてきた。歯車のピッチングの基本的な対策としてはこれらの材料開発だけでは十分とはいえず、次に歯形の形状を変えることが提案された。具体的には、現在主流のインボリュート歯車において、歯形をプラス転位にして歯厚を太らせる方法、或いは歯車同士の噛合いの中心間距離を変えることによって歯車同士の噛合いピッチ点を下げる方法が実施された。更に、歯車形状の改善の極め付きとして、歯車同士の噛合いピッチ点近傍の歯形形状を変えることへと発展した。例えば、歯形面をＳ字曲面にすることが海外で提案されている。ここで、Ｓ字曲面とは、非インボリュート歯面形状の一形態であり、後述する特許文献４に示されるように噛み合いピッチ点近傍において、歯面がＳの字のように曲がってお互いに窪みを形成しながら歯車同士が噛み合う。Ｓ字曲面にすることによって歯面に負荷する接触応力を減少させる理論に基づくものである。以下に、歯面におけるピッチング対策の詳細を述べる。

先ず、歯車のピッチング対策として材料の面から浸炭処理又は浸炭窒化処理に好適な鋼を得るために以下のような提案がなされている。即ち、歯車のような多くの鋼の機械部品は浸炭または浸炭窒化によって表面硬化される。そのためには、部品を９００℃以上の温度で炭素または炭素と窒素を含む雰囲気内に数時間維持して表面からこれら元素を拡散させて一定の深さの所までの鋼の炭素または炭素と窒素の濃度を増加させた後、低温、中温または高温の油またはガス中で急冷して表面を硬化させる。浸炭または浸炭窒化操作は１０００℃以上の温度でも実施でき、この場合は高温浸炭または浸炭浸窒操作とよばれる。このような部品を製造するためには、0.15〜0.35％の炭素を含むクロムとの合金鋼、または、クロムおよびモリブデンとの合金鋼あるいはクロムおよびマンガンとの合金鋼を使用する。この方法を用いることによって表面およびその付近での硬度が高く、部品のコア部分の機械特性が優れた部品が得られる。しかし、この方法はひずみが生じるという欠点があるため、部品を廃棄しなければならない場合や費用のかかる追加の加工が必要になる場合がある。本提案の目的はこの問題点を解決して、少なくとも表面部分高温で浸炭または浸炭浸窒化によって硬化された鋼部品を製造することにある。本提案は、鋼部品のブランクを作り、このブランクの少なくとも表面部分を浸炭または浸炭窒化処理する鋼の機械部品の製造方法において、部品を構成する鋼の化学組成が下記重量比：0.15％≦Ｃ≦0.35％、０％≦Ｓｉ≦0.6％、０％≦Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｍｏ≦５％、０％≦Ａｌ≦0.1％、０％≦Ｃｕ≦0.5％、０％≦Ｓ≦0.15％、Ｐ≦0.03％を有し、必要に応じてさらに0.02％以下のテルル、0.04％以下のセレン、0.07％以下の鉛、0.005％以下のカルシウムを含むことができ、残りは鉄と溶融に起因する不純物であり、鋼の化学組成は鋼のジョミニー曲線が下記：45HRC≦Ｊ_３≦50HRC、39HRC≦Ｊ_１１≦47HRC、31HRC≦Ｊ_２５≦40HRCを満足し、５つのジョミニー試験の平均値Ｊ_３ｍ、Ｊ_１１ｍ、Ｊ_１５ｍ、Ｊ_２５ｍが下記：｜Ｊ_１１ｍ−Ｊ_３ｍ×14／22−Ｊ_２５ｍ×８／22｜≦2.5HRC、Ｊ_３ｍ−Ｊ_１５ｍ≦９HRCを満足するように調節されていることを特徴とする鋼である（特許文献１）。また、歯車のピッチング対策として製造された歯車の表面強度を強化する提案がなされている。近年では、環境問題等への対応のために、モーターにより駆動される自動車が増大していくことが見込まれている。一方、このようなモーター駆動の自動車では、減速機において数万ｒｐｍに及ぶモーターの回転をコンパクトなサイズで減速する必要があることから、その減速機を構成する歯車に対して、摺動発熱に伴うスカッフィングや摩耗、ピッチングなどの歯面損傷の発生が懸念されている。高回転で且つ高負荷の環境で使用しても歯面から剥離することのない高靭性のダイヤモンドライクカーボン膜を備えたものとすることができ、歯面強度が極めて優れた高強度歯車及びその製造方法を提供することを目的としている。本発明の高強度歯車は、金属製歯車基材の歯面において、噛み合い展開長さＬに対して少なくとも歯先から０．３Ｌの範囲及び歯元から０．３Ｌの範囲に、平均径が０．１〜１０μｍで且つ平均深さが０．１〜１０μｍの多数の凹部が形成してある。そして、凹部を形成した歯面には、厚さ１〜５μｍのダイヤモンドライクカーボン膜が形成してあり、さらに、ダイヤモンドライクカーボン膜上に、厚さが１０〜５００ｎｍで且つ水素を原子数密度４×１０^２２ａｔｍｓ／ｃｍ^３以上含有するカーボン層を備えたものとしている。また、より好ましい実施形態として、歯面の凹部が、レーザーパルスの照射により形成してあることを特徴としている（特許文献２）。同様に歯車の表面強度を強化する提案がなされている。ギアの主たる欠陥形式は、ピッチングまたはマイクロピッチング、磨耗、及びかじりである。ギア及びピニオンが相互作用すると、ギアの歯は、必ず互いに接触する。潤滑がないと、歯は、互いに引っ掻き合って、互いにかじりを生じて磨耗、ピッチング、及びクラックを発生する。潤滑は、これらの影響を発生させることを遅らせる。こうして、潤滑がよければ、ギアの寿命がそれだけ延びる。ギアの表面があまりに平滑すぎると、例えば、３（μin）Ra以下の場合、隣接する歯の間の潤滑を保つことができないので、結果として、磨耗率が増加する。従って、ギアの寿命及び全体の性能を最大にするために、概略１０（μin）Ra以下に表面を仕上げた適切な形状の歯を有するギアとする必要がある。本提案は、接触疲労の寿命、耐磨耗性を向上させ、かつ摩擦を減少させてギア性能を向上させるために、概略５〜１０（μin）Ra[0.127〜0.0254μｍRa]の間に表面を仕上げた歯車を提供することを目的としている。これらの目的を達成するために、本提案は、第１仕上げ表面を有する第１表面領域を有して第１組の歯を備える第１ギアと、第２仕上げ表面を有する第２表面領域を有して前記第１組の歯と噛み合う第２組の歯を備え、前記第１ギアとの間の動きと動力を伝える第２ギアとを含み、前記第１仕上げ表面が、概略３〜１２μin(マイクロインチ）の算術平均あらさ[0.0762〜0.3048μｍRa]を有することを特徴としている（特許文献３）。

以上、歯車のピッチング対策として新規鋼種の開発、或いは歯形の表面硬化処理方法の例である。以下では、ピッチング対策としてインボリュート歯車において歯形の形状を工夫する提案について述べる。歯厚を太らせることが提案されている。歯車をプラス転位にして歯厚を太らせ、歯面におけるピッチング欠陥を減少させる。さて、歯面の強度はヘルツの接触応力の式を用いると理解し易い。図６に示すように、噛み合う歯面同士を模式的に二つの平行な円筒体として考えると理解しやすい。これらの法線上で押し付けられたときのピッチ円上の接触応力は以下の式によって求められる。最小曲率半径を極大化することによってヘルツの接触応力を減少させることができる。

ここで、ρは軸直角断面の曲率半径であり、ρ_１、ρ_２は夫々二つの円筒体における軸直角断面の曲率半径である。Ｅは縦弾性係数であり、Ｅ_１、Ｅ_２は夫々二つの円筒体の縦弾性係数である。Ｐ_Ｈはヘルツの接触応力、Ｐ_Ｎは円筒体面法線荷重であり、ｂは接触幅である。ただし、二つの円筒体の材質が夫々均一であること、夫々二つの円筒体の縦弾限度内であること、曲率半径ρ_１、ρ_２が接触面積に比べて十分大きいこと、夫々二つの円筒体の接線方向の力なく、即ち摩擦力がないことである。上記の式（３）から、相対曲率半径ρが大きくなると、ヘルツの接触応力Ｐ_Ｈが小さくなって二つの円筒体に対して負荷が小さくなることが判る。

他に、歯面におけるピッチング欠陥を減少させることを目的として、歯面をＳ字曲面から構成する方法が海外において２件提案されている。
一件目は以下の通りであり、歯車の歯における高い接触応力が、歯の陥凹(pitting)および最終的な故障を引き起こすので、歯車の歯での接触応力を低くするために、いくつかの試みがなされている。これらの試みの多くは、より一般的なインボリュート形状に加えて、Wildhaber型およびNovikov型の歯車装置に基づいている。Novikov型歯車では、その横断面でのプロフィールは、円弧形であり、そのピニオンは凸状であり、歯車は凹状である。詳しくは、本提案の歯車装置システムは、第一複数歯（各歯は、第一歯プロフィールを有する）を有する第一歯車および第二複数歯（各歯は、第二歯プロフィールを有する）を有する噛み合い歯車を包含する。第一歯車の第一複数歯の第一歯プロフィールは、第一歯車の歯元内にある第一凹部と第一歯車の歯先内にある第一凸部との間に配置された第一移行ゾーンを包含する。第二歯車の第二複数歯の第二歯プロフィールは、噛み合い歯車の歯元内にある第二凹部と噛み合い歯車の歯先内にある第二凸部との間に配置された第二移行ゾーンを包含する。第二歯車の第二複数歯の第二歯プロフィールの第二凸部は、第一歯車の第一複数歯の第一歯プロフィールの第一凹部と接合され、そして第二歯車の第二複数歯の第二歯プロフィールの第二凹部は、第一歯車の第一複数歯の第一歯プロフィールの第一凸部と接合される（特許文献４）。
二件目の提案は以下の通りであり、初期のワイルドハーバー及びノヴィコフ（Wildhaber-Novikov）歯車においては、「ノヴィコフ歯車の設計」（マグローヒル社より西暦１９６７年に刊行。「歯車設計及び応用」の章、１２４〜１３５頁参照。）にカイロニス（Chironis）により記載されているように、ピニオンは全歯末（all-addendum）であり、歯車の歯は全歯元（all-dedendum）である。ピニオンの移行部歯形は凸円弧であるが、歯車の歯形は若干大きい半径の凹円弧である。詳しくは、本提案の一実施形態は、複数の相手歯車歯を有し、該相手歯車歯の各々が、相手歯車基準カッター歯形歯末と、相手歯車基準カッター歯形歯元と、該相手歯車基準カッター歯形歯末及び該相手歯車基準カッター歯形歯元の間にある相手歯車基準カッター歯形移行区域とを含む相手歯車基準カッター歯形に対して共役の相手歯車歯形を有している相手歯車と噛み合うための歯車に向けられている。該歯車は、複数の歯車歯を有し、該歯車歯の各々が、歯車歯形歯末と、歯車歯形歯元と、該歯車歯形歯末及び該歯車歯形歯元の間にある歯車歯形移行区域とを備える歯車歯形を有している。該歯車歯形は、歯車基準カッターピッチ点で歯車基準カッターピッチラインと交差する歯車基準カッター歯形に対して共役である。該歯車基準カッター歯形は、歯車基準カッター歯形歯末と、歯車基準カッター歯形凸面部と、歯車基準カッター歯形移行区域とを備えている。該歯車基準カッター歯形歯末は、前記歯車基準カッターピッチラインから遠くにチップ点（歯先点）を有する。該歯車基準カッター歯形歯末は、前記歯車歯形歯元に対して共役であると共に、相手歯車基準カッター歯形歯元の対応部分と相補関係にある。歯車基準カッター歯形凸面部は、前記歯車基準カッター歯形歯末に範囲内にある。この歯車基準カッター歯形凸面部は、前記歯車基準カッターピッチラインの近くに歯車基準カッター歯形歯末点を有している。前記歯車基準カッター歯形歯元は、前記歯車基準カッターピッチラインから遠くに限界点を有する。該歯車基準カッター歯形歯元は、前記歯車歯形歯末に対して共役であると共に、相手歯車基準カッター歯形歯末に対して相補関係にある。歯車基準カッター歯形凹面部は、前記歯車基準カッター歯形歯元の範囲内にある。該歯車基準カッター歯形凹面部は、前記歯車基準カッターピッチラインの近くに歯車基準カッター歯形歯元点を有している。前記歯車基準カッター歯形移行区域は、前記歯車基準カッター歯形歯末点及び前記歯車基準カッター歯形歯元点の間にある。前記歯車基準カッター歯形移行区域は、所定の歯車基準カッター歯形移行区域幅を有する。前記歯車基準カッター歯形は、前記歯車基準カッターピッチラインのところに所定の歯車基準カッター歯形半ピッチ逃げを有すると共に、前記歯車基準カッター歯形歯末点のところで形状の連続性及び勾配の連続性を有している（特許文献５）。

ところで前述した歯車用語について図７を参照しながら説明する。歯形を拡大して斜視図として示し、各部位の名称を以下の通り定義する。ヘリカル歯１は、符号Ａ〜Ａ’間で示す歯先面１１、その左右に符号Ａ〜Ｂ間で示す歯面１２、符号Ｂ〜Ｂ’間で示す歯底面１３、他に歯端面１４及び歯元１６から構成される。ここで、符号Ａ、Ａ’は歯車同士の噛み合い終わりの点で、歯面１２と歯先面１１との境界点であり、また符号Ｂ、Ｂ’は歯車同士の噛み合い初めの点で歯元１６に相当し、歯面１２と歯底面１３との境界点である。歯面の符号Ａ〜Ｂ間に噛み合いピッチ点Ｐがあり、夫々の歯形の噛み合いピッチ点Ｐを結ぶ円弧が噛み合いピッチ円径（Ｍａｔｉｎｇ Ｐｉｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ Ｄｉａ）で、以下Ｐ．Ｃ．Ｄ．と称する。また、歯底面１３の符号Ｂ、Ｂ’間の最も凹んだ点を符号Ｄとし、夫々の歯形の符号Ｄ点を連続して結ぶ円弧を歯底径Ｒと称する。また、夫々の歯元の符号Ｂ、Ｂ’を連続して結ぶ円弧が最小噛み合いインボリュート径（Ｔｒｕｅ Ｉｎｖｏｌｕｔｅ Ｆｉｌｌｅｔ Ｄｉａ）で、以下Ｔ．Ｉ．Ｆ．と称する。ところで、他に類似の刻みピッチ円径という用語があって、これは歯車固有のもので歯車単体の歯数に軸直角モジュールを乗じたもので、相手の歯車とは関係ない個別の用語である。これに対して、本発明にとって重要なＰ．Ｃ．Ｄ．は、噛み合う相互歯車の中心間距離を歯数比の逆比率で配分した点を連続して結んだ線であり、このＰ．Ｃ．Ｄ．上の噛み合いピッチ点Ｐにおいて、歯車同士が噛み合って転がり運動によって相互の歯車が回転し、滑り運動は生じない。この噛み合いピッチ点Ｐにおいて歯車同士が噛み合う際に面圧が最も高くなり、延いてはピッチング等の微小な剥離が生じて歯車の寿命を短かくする。また、最小曲率半径とは、噛み合いピッチ点Ｐの近傍を構成する複数の曲面の中で、夫々の曲率半径の最小のものである。他に、歯根元の符号Ｂと歯底の符号Ｄとの間の曲面を歯元近傍と呼ぶ。

特開平１１−７１６１３号公報 特開２００６−２２８９５号公報 特開２００２−７０９８８号公報 特許４４２９３９０号公報 特許４４１４７６８号公報

以上の通りであって、上記公報に代表されるような従来の技術では遊星歯車機構における太陽歯車には以下のような問題点が残り、歯面におけるピッチング発生を解決することができない。

歯車に使用する新たな鋼種の開発、熱処理方法の改善、或いは歯車の表面硬化処理方法の改善だけではピッチング対策の基本的な解決には至っていない。例えば、ＳＣｒ鋼にＭｎを減少させてＭｏを添加することによって、表面層の酸化を防止してマルテンサイトに変態させた。その結果、ＳＣｒ４２０材に比べてピッチング強度が向上したが鋼のピッチング対策とは十分ではない。また、歯車に真空浸炭処理を施しても表面異常層が減少するが、ピッチングの発生を抑えるには限界がある。即ち、歯車に新規鋼種を採用しても縦弾性係数を減少させるには限度があり、その結果ヘルツの接触応力を減少させることができずピッチングの発生を抑えることができなかった。歯車の形状では、現在主流のインボリュート歯車の歯厚を太らせることによってもピッチング発生を抑えることができるが不十分であった。また、インボリュート曲面からなる歯車は、使用に際し転位が可能で歯車の軸間距離を多少変更することによって歯車同士を正しく噛み合わせることができる等の長所を有する。しかしながら、インボリュート曲面を有する歯車同士の噛み合いの際は転がりと滑りとで回転運動が構成されるので、滑りの有る回転をする時に回転角度誤差が生じるとともに、インボリュート曲面同士の滑りのためノイズが発生し易い。そして、歯面がインボリュート曲面なので噛み合い点近傍における接触応力を極小にすることができず、面圧疲労強度が弱い等の問題が残る。最後に、歯車の形状による耐ピッチング改善策として歯面をＳ字曲面から構成する考え方がある。しかしながら、Ｓ字曲面を有する歯車は、噛み合いピッチ点近傍においてＳの字のように窪みを形成しながら歯車同士が噛み合い、この場合でも、噛み合いピッチ点近傍で歯面の最大曲率半径が得られずヘルツの接触応力が減少しなかった。

そこで、本発明の太陽用歯車は以上のような課題を解決するために、歯面の噛み合いピッチ点におけるヘルツの接触応力を減少させることに着目して提案されたもので、噛み合いピッチ点近傍における歯面の最小曲率半径を極大にした自由曲面から構成された太陽用歯車を提供することを目的としている。また、本発明の目的は、自由曲面を形成した鍛造金型を半密閉塞鍛造に適用させることによって、鍛造成形によるメタルフローと称する繊維組織を歯形内に残して歯車の強度を保持するとともに、機械加工を要しない製造工程の簡素化を図った太陽歯車を提供することにある。

近年ではＮＣ加工技術の進歩によって如何なる曲面の金型をも製作することができ、この金型を鍛造成形に適用させることによって、自由曲面を有する歯車を得ることが可能である。本願発明者等は、歯面の噛み合いピッチ円近傍の曲面の最小曲率半径を極大にするために試行錯誤を繰り返し、歯形の部位において面圧疲労強度に優れる歯車を実現させた。本願発明の太陽歯車はかかる知見を基に具現化したもので、請求項１の発明は、歯面の歯先側はインボリュートヘリコイド曲面から構成され、この曲面に続く噛み合いピッチ点近傍において、最小曲率半径を極大化するサイクロイドヘリコイド曲面又は円弧ヘリコイド曲面から構成される自由曲面が連接し、更にこの自由曲面に続く歯元側に、インボリュートヘリコイド曲面が連接することを特徴とする太陽歯車である。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明の上記特徴に加えて、噛合いピッチ点近傍の前記自由曲面の範囲Ｓは、噛合い展開長さをＬとすると、噛合いピッチ点を中心として歯先側或いは歯元側へ夫々、
±０．１×Ｌ〜±０．３×Ｌ
の長さであることを特徴とする太陽歯車である。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明の上記特徴に加えて、歯底は、円弧ヘリコイド曲面から構成されることを特徴とする太陽歯車である。

本発明によれば、歯面の噛み合いピッチ点近傍に自由曲面を形成させ、ヘルツの接触応力を減少させることによって面圧疲労強度を改善した。詳しくは、噛み合いピッチ円近傍の歯面の最小曲率半径を極大化したので、歯面におけるピッチング或いは剥離の発生を減少させ、歯車の寿命を延ばすことができる。歯面に本発明の自由曲面を適用させることによって、電気自動車等用途における５，０００Ｈｚ以上の高周波域でのノイズを解消することができる。歯面の噛み合いピッチ点近傍をサイクロイドヘリコイド曲面の場合、円弧ヘリコイド曲面よりノイズの解消に効果がある。特に、ヨーロッパでは高周波域での音に対する感性が高いのでノイズ解消は重要な課題なので、噛み合いピッチ点近傍に本発明の自由曲面を採用することは意義がある。

太陽歯車を示す斜視図である。 太陽歯車の歯形のノルマル断面図である。 図２における噛合いピッチ点近傍における歯形の詳細を示す図である。 太陽歯車の製造過程を示す工程図である。 遊星歯車機構の全体模式図である。 応力を模式的に説明する図である。 歯車部位の用語の説明図である。

本発明の実施の形態を、添付図面に例示した本発明の実施例に基づいて以下に具体的に説明する。

先ず、本発明の実施例について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、太陽歯車を示す斜視図である。図２は、太陽歯車の歯形のノルマル断面図である。図３は、図２における噛合いピッチ点近傍における歯形の詳細を示す。図４は、太陽歯車の製造過程を示す工程図である。

図５に示すように、遊星歯車機構Ｇは、インターナル歯からなる内歯車と、内歯車の中心に配置される太陽歯車と、内歯車と太陽歯車の間に配置される複数のピニオン歯車からなる遊星歯車とを備え、それぞれの歯車は、回転可能に支持されている。これらの歯車の噛合い関係は、外周のインターナル歯内歯車ＧＩと、内歯車ＧＩの中心に配置される太陽歯車ＧＳと、内歯車ＧＩと太陽歯車ＧＳの間に配置される遊星歯車ＧＰがお互いに噛合う（図５参照）。歯車のピッチング対策として問題になるのは、太陽歯車ＧＳと遊星歯車ＧＰとの噛合いである。

本実施例における太陽歯車の一例を図１に示し、以下に歯車の各部の名称を以下に説明する。太陽歯車ＧＳの外周のヘリカル歯１は、歯筋方向に歯先面１１、その左右に歯面１２、これらを立ち上げる歯底面１３及び歯筋方向上下の歯端面１４、１４及び歯元１６から構成される。ここでは、歯筋方向が歯車の回転軸方向に対して捩れたヘリカル歯１の歯面について説明する。外周のヘリカル歯１の歯形のノルマル断面を図２に示し、歯面及び歯底は夫々単独の自由曲面１から構成され、全体の歯形は複合の自由曲面から構成される。図１で説明した歯車各部の名称と、本図の記号を対応させると以下のようになる。符号Ａ〜Ａ’間で示す歯筋方向の歯先面１１、その左右に符号Ａ〜Ｂ間で示す歯面１２、歯元の符号Ｂ〜Ｂ’間で示す歯底面１３から構成される。ここで、符号Ａ、Ａ’は歯車同士が噛み合い終わる点で歯面１２と歯先面１１との境界点に相当し、また符号Ｂ、Ｂ’は歯車同士が噛み合い初めの点で歯元１６に相当し、夫々歯面１２と歯底面１３との境界点である。

次に、本実施例における歯面の自由曲面の構成を図３に示す。本図は図２における噛合いピッチ点近傍における歯形の詳細を拡大して示したものである。符号Ａ〜Ｂ間で示す歯面１２は、複数の自由曲面から構成され、特に噛み合いピッチ点Ｐ近傍の前後の範囲Ｓは歯先側又は歯元側とは異なる自由曲面から構成される。範囲Ｓの両側の歯先側の符号Ａ〜ＰＡはインボリュートヘリコイド曲面、歯元側の符号ＰＢ〜Ｂも同様にインボリュートヘリコイド曲面から構成される。本実施例の特徴である、符号ＰＡ〜Ｐはサイクロイドヘリコイド曲面、符号Ｐ〜ＰＢも同様にサイクロイドヘリコイド曲面から構成される。他に、符号ＰＡ〜Ｐは円弧ヘリコイド曲面、符号Ｐ〜ＰＢも同様に円弧ヘリコイド曲面から構成されることでもよい。

次に、本実施例の太陽歯車の製造工程について説明する。先ず、図４の工程（１）に示すように、ピニオン歯車からなる太陽歯車に適した円柱素材を所定の軸長に例えばビレットシャーによって切断した素材Ｗ１を得る。この場合、素材の材質として、例えば、ＳＣ鋼、ＳＣＲ鋼、ＳＣＭ鋼、ＳＮＣ鋼、ＳＮＣＭ鋼等を使用することができる。次に、工程（２）に示すように、素材Ｗ１を例えば１２００℃に加熱してアップセットの熱間鍛造を施すことによって円盤状の素材Ｗ２を得る。次に、工程（３）に示すように、素材Ｗ２に半密閉の熱間鍛造を施すことによって外周面にヘリカル歯からなる荒ヘリカル歯１０１を荒形成し、同時に、上端面側にドーナツ状の窪んだ凹部Ｗ３１及び、中央に断面円形に窪んだ凹部Ｗ３２を形成する。すると、溝Ｗ３１の外周側には鍔状のバリＷ３３がはみ出る。ここで、外歯はヘリカル歯の他にスパー歯でもよく、以降の説明でも同様である。次に、工程（４）に示すように、鍔状のバリＷ３３の出っ張り部を除去するとともに、軸凹部Ｗ３２の中バリを打ち抜いて荒軸孔３０が貫通した素材Ｗ４を得る。次に、工程（５）において、更に荒ヘリカル歯１０１の上端部のバリを除去して素材Ｗ５を得る。次に、工程（６）において、荒ヘリカル歯１０１にシゴキ成形を施すとともに下端部に面取りＷ６１を施した荒ヘリカル歯１０２を形成し、素材Ｗ６を得る。次に、工程（７）において、素材Ｗ６に焼鈍の熱処理、ショットブラスト処理及び潤滑処理を施した素材Ｗ７を得る。工程（８）において、荒ヘリカル歯１０２に冷間鍛造の仕上げ成形によってヘリカル歯１を形成するとともに上端部に面取りＷ８１を施し素材Ｗ８を得る。次に、工程（９）において、素材Ｗ８にショットブラスト処理及び潤滑処理を施した素材Ｗ９を得る。最後に、工程（１０）において、軸孔Ｗ３０の内周に研削処理を施した軸孔３を形成し、製品の太陽歯車ＧＳを得る。以上の工程をまとめると、工程（２）、（３）、（４）は熱間鍛造であり、工程（６）、（８）は冷間押し出し成形、或いは冷間シゴキ成形による冷間鍛造である。

本発明の歯形は以上のように構成され、以下に作用を述べる。自由曲面から構成される噛み合いピッチ点Ｐ近傍の前後の範囲Ｓは、一定の長さから構成される。理論的には、太陽歯車ＧＳと遊星歯車ＧＰとの噛み合いでは、噛み合いピッチ点Ｐの箇所における噛み合いを考えればよいが、歯車では形状誤差が生じるので安全係数を考慮して領域を広げて考えることが実用的である。ここで、歯車が何所から何所まで噛み合うかを表わす噛み合い展開長さを本発明の考え方の礎とする。歯面１２の断面における符号Ａ〜Ｂの曲線を直線に伸ばした大きさを噛み合い展開長さＬとすると、噛み合いピッチ点Ｐ近傍の前後の範囲Ｓは、次の式の範囲が好ましい。
Ｓ＝±０．１×Ｌ〜±０．３×Ｌ
範囲Ｓの長さが大き過ぎると、伝達トルクが大きくなって歯面にピッチングが生じやすい。この範囲Ｓの大きさは自動車の排気量或いは歯車の大きさによって決まる。例えば、排気量が１リッターの小型軽自動車クラスでは太陽歯車の外径は２０〜３０ｍｍが使用され、範囲Ｓは±０．１Ｌ程度が好ましい。排気量が大きくなり普通車クラスでは、太陽歯車の外径は３０〜５０ｍｍなので、範囲Ｓは±０．２Ｌ程度が好ましい。排気量が更に大きい４リッターの小型トラック車クラス以上のトラック車では、太陽歯車の外径は５０ｍｍ以上なので、範囲Ｓは±０．３Ｌ程度が好ましい。

本実施例の太陽歯車を高速、高負荷の状態で使用する際のピッチングの発生、ノイズ発生について以下に本発明の自由曲面について考察する。特に、電気自動車において、モーターに連結された二段変速機のインターナル歯車の高速化は避けられず、従来のインボリュート歯車では、ノイズ特に高周波領域での騒音が問題になる。そこで、本実施例のピッチ点近傍における自由曲面を構成するサイクロイドヘリコイド曲面の場合又は円弧ヘリコイドの場合の作用の差異について述べる。サイクロイドヘリコイド曲面の場合、インボリュートヘリコイド曲面の場合より曲率半径が大きいので、ヘルツの接触応力が減少してピッチングの発生が抑えられる。また、インボリュートヘリコイド曲面に比べて回転変動が無くギヤノイズが抑えられる。一方、円弧ヘリコイド曲面の場合、曲率半径が極大化するので、サイクロイドヘリコイド曲面の場合よりヘルツの接触応力が最小化しピッチングの発生が最も抑えられる。ただし、サイクロイドヘリコイド曲面に比べて回転がスムーズにならずギヤノイズが発生する。

本実施例の歯元曲面は、符号Ｂ〜Ｂ’間の歯底面１３は単独の円弧ヘリコイド曲面から構成される。歯元において、歯底部の曲率半径が極大になるので応力集中が回避されて曲げ強度が向上する。

本実施例の太陽歯車は熱間及び冷間の鍛造によって成形されることを述べた。そのため、形成された歯車の夫々の歯形内にメタルフローが形成される。即ち、歯形内において繊維組織の流れである鍛流線が外周から内に向けて多層に形成される。一方、従来のように歯形を鍛造後シェービング、ブローチ、又はホブ切り等の機械加工を行う場合は、歯形の表面において機械加工面によって鍛流線が切断される。本実施例の太陽歯車では熱間、冷間鍛造成形のままなので、メタルフローが切断されるようなことがなく内部のメタルフローをそのまま保持され歯車の耐久性を向上させる。また、鍛造後の機械加工工程を省略することができるので生産性が高い。

ピニオン歯車からなる本発明の太陽歯車は、オートマチック車の変速機、四輪駆動車のセンターデフ、ハイブリット車の動力分配装置、或いは電気自動車の変速機又はインホイールモーター、建設機械のハブリダクション等の用途に適用できる。

Ｇ 遊星歯車機構、ＧＩ 内歯車、ＧＰ 遊星歯車、ＧＳ 太陽歯車
Ｐ 噛み合いピッチ点
ＰＣＤ 噛み合いピッチ円径
Ｒ 歯底径
ＴＩＦ 最小噛み合いインボリュート径
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８、Ｗ９ 素材
Ｗ２１ 凸部、Ｗ３１ 凹部、Ｗ３２ 軸凹部、Ｗ３３ バリ
Ｗ６１、Ｗ８１ 面取り
Ｐ_Ｈ ヘルツの接触応力
Ｐ_Ｎ 円筒体面法線荷重
Ｅ、Ｅ_１、Ｅ_２ 縦弾性係数
ρ 相対曲率半径
ρ_１、ρ_２ 曲率半径
ｂ 接触幅
Ｌ 噛合い展開長さ
Ｓ 範囲
１１０、２１０ 円筒体
１ ヘリカル歯、１０１ 荒ヘリカル歯、１０２ 荒ヘリカル歯
１１ 歯先面
１２ 歯面、１３ 歯底面、１４ 歯端面、１６ 歯元
３ 軸孔、３０ 荒軸孔

Claims (3)

1. 歯面の歯先側はインボリュートヘリコイド曲面から構成され、
   この曲面に続く噛み合いピッチ点近傍において、最小曲率半径を極大化するサイクロイドヘリコイド曲面又は円弧ヘリコイド曲面から構成される自由曲面が連接し、
   更にこの自由曲面に続く歯元側に、インボリュートヘリコイド曲面が連接することを特徴とする太陽歯車。
2. 噛合いピッチ点近傍の前記自由曲面の範囲Ｓは、
   噛合い展開長さをＬとし、
   噛合いピッチ点を中心として歯先側或いは歯元側へ夫々、
   ±０．１×Ｌ〜±０．３×Ｌ
   の長さであることを特徴とする請求項１記載の太陽歯車。
3. 歯底は、円弧ヘリコイド曲面から構成されることを特徴とする請求項１記載の太陽歯車。

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