JP2014105744A - 歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造によって歯形を形成するとともに歯筋方向端部下方にアンダーカットの凹みに代わって、歯先外径と同一の円筒面からなる平坦部を設ける歯車を提供することを目的としている。即ち、歯筋方向端部下方に円筒面からなる平坦部を設けることによって、座金の座りを良くして歯車製品をハイブリット車のモータ側へ確実に連結し、他方歯筋方向端部下方の歯元部における耐曲げ疲労強度を向上させる歯車を提供することにある。
【解決手段】外周面又は内周面に歯形を形成し、この歯形における歯筋方向端部下方に歯先径と同一径の円筒面からなる平坦部７を設けることを特徴とする歯車である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘリカル又はスパーのピニオン歯車、インターナル歯車又は遊星歯車機構における太陽歯車又は遊星ピニオン歯車等の歯車に関する。詳しくは、これらの歯車の歯筋方向端部の下方に工具逃げ用のアンダーカットを設けない歯車であって、ＡＴ車、ＭＴ車或いはハイブリット車等の鍛造により一体化形成された変速機用歯車に関するものである。

従来、これらの歯車は、円柱状又は円筒状の素材に機械加工を施して外周面又は内周面に歯形を形成する。或いは、熱間鍛造によって粗い歯形のプロフィールを成形し、次いでシェービング、ブローチ又はホブ切り、研磨等により歯形を仕上げる。これらの中、従来の歯車の例として遊星歯車機構における太陽歯車について説明する。遊星歯車機構を図７に平面図で示す。遊星歯車機構は、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ピニオン歯車からなる複数の遊星歯車とを備え、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については、外周のインターナル歯からなる内歯車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との間に配置される遊星歯車ＧＰとがお互いに噛合う。この遊星歯車機構Ｇの中心部を構成するのが太陽歯車ＧＳである。
次に、太陽歯車の例を図８に示す。円筒状の太陽歯車の製品Ｗは上段の小径部の外周面にスプライン歯２の周列が形成され、下段の大径部の外周面に一回り外径の大きいヘリカル歯１が形成され、中心部を上下方向に孔３が貫通する。そして、スプライン歯２の歯筋方向端部の直ぐ下方に凹み８を周状に設ける。この凹み８は、歯切り用のギヤシェーパ工具の逃げとなり、歯切りの際に歯筋方向端部の下方にギヤシェーパ工具の往復運動による干渉を避けるための内側へ逃げるアンダーカットである。

歯切りを施す際にギヤシェーパ工具の逃げを設ける方案について、本出願人は二段ヘリカル歯車に適用している（特許文献１参照）。この二段ヘリカル歯車を成形する態様について図９を参照しながら説明する。先ず、二段ヘリカル歯車に適した素材を所定の軸長に鋸で切断し、それを熱間鍛造して行程（１）に示すように、外周二段の最終製品に近似形状の素材Ｗ０１を得る。この素材Ｗ０１は、断面が円形で外周は上段の大径部Ｄ１と下段の小径部Ｄ２の二段形状であり、軸方向に孔３が貫通している。ここで、素材Ｗ０１の輪郭形状を示す実線の内側に、一回り小さい一点鎖線で示す輪郭Ｕは、次の工程で述べる素材Ｗ０２の輪郭形状との大きさを比較するために示したものである。次に、素材Ｗ０１の輪郭形状から内側の輪郭Ｕの形状へ旋盤によって削り落すことにより、行程（２）に示す二段形状の円柱素材Ｗ０２が得られる。この際、上段と下段との間の縮径された部位に旋盤加工を施して、全周に窪んだ凹み部４を形成し、歯形を成形する前の素材Ｗ２が得られる。この凹み部４は後行程で下段の小径部に歯切りを施す際に歯切りのギヤシェーパ工具が上段にぶつかることを防ぐ干渉防止の逃げの機能を有し歯切りを行ない易くするためのものである。次に、冷間鍛造により歯形を形成する工程に移る。行程（３）において、上段の部位にホブ加工を施して軸方向に対して捩じれたヘリカル歯形１を形成した素材Ｗ０３を得る。次に、行程（３）と同様に、下段の部位にシェーパー加工を施して軸方向に対して捩じれたヘリカル歯形２を形成した素材Ｗ０４を得る。最後に行程（５）においてシェービング処理ＳＶを施して歯車面を仕上げる。この行程を経て外周面に径が異なり、かつ、歯形のリード量が同じ二段のヘリカル歯形を形成した二段ヘリカル歯車が得られる。この例では、工程（２）において説明したように、歯切り用のギヤシェーパ工具の逃げを設ける態様を示したものである。

一方、冷間鍛造によって歯を形成する場合は一般的に歯筋方向端部の下方は逆に外側へ出っ張らせる。歯筋方向端部の下方において、鍛造肉流を各部位まで充満させ、特に歯先の欠肉を防止するためである。

特開２００９−１５６３６９号公報

以上の通りであって、歯筋方向端部の下方にアンダーカットを設けると以下のような問題点が生じる。

歯切りの際に歯筋方向に往復運動するギヤシェーパ工具が干渉するのを避けるために、歯筋方向端部の下方に内側へ凹むアンダーカットを設ける態様を前述した図８に示した。スプライン歯２の歯筋方向端部の下方にこの歯先径より内径側へ逃げた凹み８を周状に形成し、この凹み８の外側からリング状の座金Ｒを嵌め込む。この時、座金Ｒの内周と凹み８の内周との間に間隙が構成され、その分座金Ｒに径方向の遊びが生じ、座金Ｒは径方向の矢印Ｄのように左右に振れる。その結果、座金Ｒの遊びによって太陽歯車の製品Ｗを確実にモータ側に連結することができないという問題がある。また、製品Ｗは一定の軸方向の全体長さが定められており、その中でアンダーカットの凹み８を設けるためにその分スプライン歯２の長さを短縮せざるを得ない。その結果、スプライン結合の強度が下がる。

また、図８に示すようにスプライン歯２の歯筋方向端部の下方に凹み８を設けた場合、歯筋方向端部の下方にバックアップとしての壁が無くなるのでスプライン歯２の強度が低下する。特に、スプライン歯の歯筋方向端部の歯元部における耐曲げ疲労強度が低いという問題がある。

そこで、本発明の歯車は以上のような課題に着目してなされたもので、鍛造によって歯形を形成するとともに歯筋方向端部下方にアンダーカットの凹みに代わって、歯先外径と同一の円筒面からなる平坦部を設ける歯車を提供することを目的としている。即ち、歯筋方向端部下方に円筒面からなる平坦部を設けることによって、座金の座りを良くして歯車製品をハイブリット車のモータ側へ確実に連結し、他方歯筋方向端部下方の歯元部における耐曲げ疲労強度を向上させる歯車を提供することにある。

近年では鍛造技術の進歩によりあらゆる形状の歯車を鍛造によって成形し、機械加工による歯切りを省くことが可能となってきた。そこで、本発明者等は、鍛造により歯形内部に形成されるメタルフローをそのまま生かすことに着目し、鍛造後の歯切り加工を省いて歯車を試作したところ耐久性に優れるという知見を得た。本発明の歯筋方向端部の下方にアンダーカットを設けない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、外周面又は内周面に歯形を形成し、この歯形における歯筋方向端部の下方に歯先径と同一径の円筒面からなる平坦部を設けることを特徴とする歯車である。
請求項２の発明は、請求項１の発明の上記特徴に加えて、前記平坦部の軸方向長さは、２ｍｍ以上であることを特徴とする歯車である。
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明の上記特徴に加えて、前記歯形は、スパー又はヘリカル歯であることを特徴とする歯車である。
請求項４の発明は、請求項１又は２の発明の上記特徴に加えて、前記歯形は、インターナル歯であることを特徴とする歯車である。

本発明によれば、歯筋方向端部下方にアンダーカット用の凹みを設けないので座金の径方向の遊びが無くなり、歯車製品をモータ側に確実に連結することができる。また、歯筋方向端部の歯元部における耐曲げ疲労強度が向上する。その他、スプライン歯の軸長を長く確保することができるのでスプライン結合の強度を向上させることができる。

本発明の実施例を示すもので、ヘリカルピニオン歯車の斜視図である。 同上、ヘリカルピニオン歯車の製造工程図である。 同上、鍛造の際に生じる鍛流線の状態を示す模式図である。 同上、スパーピニオン歯車の斜視図である。 同上、遊星歯車機構を構成する太陽歯車の断面図である。 同上、インターナル歯車の断面図である。 遊星歯車機構の平面図である。 従来における、遊星歯車機構を構成する太陽歯車の断面図である。 同上、二段ヘリカル歯車におけるアンダーカットの例を示す説明図である。

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６を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例を示すもので、ヘリカルピニオン歯車の斜視図である。図２は、ヘリカルピニオン歯車の製造工程図である。図３は、鍛造の際に生じる鍛流線の形成を示す模式図である。図４は、スパーピニオン歯車の斜視図である。図５は、遊星歯車機構を構成する太陽歯車の断面図である。図６は、インターナル歯車の断面図である。

本実施例におけるヘリカルピニオン歯車の一例を図１に示し、以下に歯車の各部の名称を以下に説明する。円筒状のヘリカルピニオン歯車の製品Ｗは上段にヘリカル歯１の周列が形成され、中心部を上下方向に孔３が貫通する。そして、ヘリカル歯１の歯筋方向端部の下方外周面に歯先径と同一外径の円筒面からなる平坦部７を設け、その下方に一回り径大のボス５を構成する。このように、歯筋下端の下部に延長して、円筒面からなる平坦部７を設けることが本実施態様の特徴である。即ち、従来のように歯筋方向端部の下方に歯切り工具逃げの凹み８を設ける代わりに、歯先外径と同一の円筒面からなる平坦部７を一定軸長設ける。なお、ヘリカル歯１の詳細は、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。

本実施例におけるピニオン歯車の製造について、図２の工程図を用いて説明する。
先ず、工程（１）に示すように、ピニオン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平坦な円盤状の素材Ｗ２を得る。
以下では、図１に示した製品Ｗを上下逆向きに製造する工程を説明する。
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下段外周面に荒ヘリカル歯１０１を荒形成し、同時に、下面側にドーナツ状の窪んだ凹部Ｗ３１及び、中央に円形に窪む凹部Ｗ３２を形成し、上面の外周には鍔状のバリＷ３３がはみ出る。そして、荒ヘリカル歯１０１の上方延長上に沿って歯筋方向歯端部上方に歯先径と同一径の粗平坦部７０及びその上方に径大の粗ボス５０が形成される。このように素材Ｗ３は下段の荒ヘリカル歯１０１、中段の粗平坦部７０及び上段の粗ボス５０からなる。
次に、工程（４）に示すように、上面のバリＷ３３の出っ張り部を打ち抜いて除去するとともに、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。
次いで、工程（５）において焼準熱処理を施した素材Ｗ５を得て、工程（６）においてショットブラスト処理、潤滑処理を施した素材Ｗ６を得る。
次に、工程（７）において、荒ヘリカル歯１０１に冷間鍛造シゴキ成形を施した荒ヘリカル歯１０２が形成され、素材Ｗ７を得る。
次の工程（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この下端部に面取りＷ８１を施した素材Ｗ８を得る。
次の工程（９）において上下面及び軸孔をターニング加工した素材Ｗ９を得て、次の工程（１０）において浸炭熱処理、ショットブラスト処理を施した素材Ｗ１０を得る。最後に、工程（１１）において、軸孔の内周に研削処理を施して軸孔３を形成し、ピニオン歯車の製品Ｗが完成する。必要に応じて、ヘリカル歯１の上方延長上に沿った歯筋方向歯端部上方に歯先径と同一径の平坦部７及びその上方に径大のボス５を仕上げる。
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（７）、（８）は冷間コイニング成形、或いは冷間シゴキ成形である。

本実施例の歯端部下方にアンダーカットを設けない歯車は以上のようにして製造され、以下に作用について説明する。歯筋方向端部下方の平坦部に座金を挿着した際、平坦部の径と座金の内径との間に径方向の遊びが生じないので、座金の座りが良く歯車全体をハイブリット車のモータ側に強固に連結することができる。一方、歯車の強度面からは、歯筋方向端部が平坦部と一体化連接する構造なので、歯筋方向端部の下方の歯元部の耐曲げ疲労強度が向上するという効果を奏する。

次に、鍛造の際歯車製品Ｗの内部に形成される繊維組織について説明する。ヘリカル歯の内部に形成された鍛流線の分布を模式的に図３に示す。同図（ａ）では図１に示したヘリカルピニオン歯車の断面図を示し、鍛造の際下パンチによって粗材が下方向から押し潰されることによって、ヘリカル歯を形成する鍛流線Ｆ１の他鍛流線Ｆ２、Ｆ３の流れが生じる。同図（ｂ）では、ヘリカル歯１の内部に鍛流線Ｆ１が充満し歯形に沿って密に繊維組織が形成される状態を示したものである。歯形の中心線Ｃに沿って上下方向及び歯形の中心線Ｃの左右で歯先にかけて歯面の表層部において鍛流線が密で均等に形成されるとともに、歯形の内部では鍛流線の間隔が密で均等に形成される。その結果、ヘリカル歯形全体として内部組織が均等化され、ヘリカル歯の強度が改善される。特に、本実施例ではヘリカル歯１の内部を充満する鍛流線Ｆ１と平坦部７を充満する鍛流線Ｆ２とが合流するヘリカル歯１の歯筋方向端部下方において、鍛流線の間隔が密に形成される。その結果、ヘリカル歯１の歯筋方向端部の歯元部における耐曲げ疲労強度に優れた歯車が得られる。

本実施例では、機械加工によって歯切りする場合のようにアンダーカットを設けることはない。また、一般的な冷間鍛造によって歯を形成する場合のように歯筋方向端部の下方を外側へ出っ張らせることもない。本実施例では、歯筋方向端部下方にアンダーカットの凹みを設ける代わりに、歯先外径と同一の円筒面からなる平坦部を設ける。この場合、歯筋端部における面取り形状に工夫を加え、或いは歯筋方向端部下方において粗材と金型とのクリアランスを小さくする等の工夫をする。これらの工夫によって、冷間鍛造において鍛造肉流を各部位まで充満させ、特に歯先の欠肉を防止することが可能となった。

本実施例における他のピニオン歯車の一例を図４に示す。円筒状のピニオン歯車の製品Ｗは上段にスパー歯１の周列が形成される。スパー歯１の歯筋方向端部の下方に歯先径と同一径の円筒面からなる平坦部７を一定軸長設ける。スパー歯１の下段に一回り径大のボス５を構成し、これらの中心部を上下方向に孔３が貫通する。平坦部７を設けることが本実施態様の特徴であり、平坦部はスパー歯１の歯先径より内側へ凹むことは無い。

上述したヘリカル又はスパーピニオン歯車とは他に、他の歯車の実施態様を以下に説明する。歯筋方向端部の下方に歯切り工具逃げ用の凹みを設けず、下方端部の一定長さ分歯先外径と同一のストレートの円筒面を設けることは同様である。遊星歯車機構における太陽歯車又はリングの内周に歯を形成するインターナル歯車等への適用が可能である。

次に、遊星歯車機構の中心部を構成する太陽歯車について図５に示す。円筒状の太陽歯車の製品Ｗは上段の小径部の外周面にスプライン歯２の周列が形成され、下段の大径部の外周面に一回り外径の大きいヘリカル歯１が形成され、中心部を上下方向に孔３が貫通する。そして、スプライン歯２の歯筋方向端部の直ぐ下部に歯先外径と同一の円筒面からなる平坦部７を一定軸長設ける。このように、歯筋下端の下部に延長して、円筒面からなる平坦部７を設けることが本実施態様の特徴である。スプライン歯２は太陽歯車をモータ側とスプライン連結するための機構である。ハイブリット車のモータからの回転力が太陽歯車のヘリカル歯を経由し、後続するデファレンシャル装置を経由して車軸、車輪へと伝達される。

ここで、平坦部７とはスプライン歯２の歯筋方向端部から下方の隅部Ｃまでの円筒面のことを言い、この平坦部７の軸方向長さは２ｍｍ以上が好ましい。この平坦部７の隅部ＣはＲ面取りが施される。ところで、歯車製品Ｗの軸方向の全体長さは定められており、歯部の強度上からはヘリカル歯１及び又はスプライン歯２の軸方向長さは長い程好ましいので平坦部７の軸方向長さはおのずから制限される。一方、冷間鍛造において鍛造肉流を各部位まで充満させて歯先の欠肉を防止するためには、軸方向の長さは長い程好ましい。そこで、歯車の強度上或いは製法上から鑑みて平坦部７の軸方向長さを少なくとも２ｍｍに設計する。

他の歯車態様のインターナル歯車については図６に示す。円環状のインターナル歯車の製品Ｗは、外周にヘリカル歯１の周列が形成され、内周に内歯９の周列が同心円状に形成される。そして、内歯９の歯筋方向端部下方に歯先径と同一径の内筒面からなる平坦部７が一定軸長設けられる。平坦部７を設けることが本実施態様の特徴であり、内歯９の歯先径より内側へ凹むことは無い。

本発明の歯車は、鍛造によって歯形を形成するとともに歯筋方向端部下方にアンダーカットの凹みを設けない歯車を提供することを目的としている。即ち、歯筋方向端部下方に円筒面からなる平坦部を設けることによって、座金の径方向のガタを無くして座りを良くするとともに歯車製品をモータ側へ確実に連結し、他方歯筋方向端部下方の歯元部における耐曲げ疲労強度を向上させる歯車を提供することを目的としている。従って、本発明の歯筋方向端部の下方にアンダーカットを設けない歯車は自動車の変速機の用途に限らず工作機械、荷役建設機械、ロボット等の各種の機械装置の用途に勿論適用可能である。

１ ヘリカル歯
２ スプライン歯
３ 軸穴
４ 小径部
５ ボス
６ 大径部
７ 平坦部
８ 凹み
９ 内歯
Ｃ 隅部
Ｄ 矢印
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ 鍛流線
Ｒ 座金
Ｗ 製品
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８、Ｗ９ 素材

Claims (4)

1. 外周面又は内周面に歯形を形成し、
   この歯形における歯筋方向端部下方に歯先径と同一径の円筒面からなる平坦部を設けることを特徴とする歯車。
2. 前記平坦部の軸方向長さは、２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の歯車。
3. 前記歯形は、スパー又はヘリカル歯であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。
4. 前記歯形は、インターナル歯であることを特徴とする請求項１又は２に記載の歯車。

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