JP2014137082A - ギア列 - Google Patents

Abstract

【課題】初期運転時の噛み合い伝達効率が高くかつ早期になじみが完了するギア列を提供する。
【解決手段】ギア列１は、互いに噛み合う一対のギア２Ａ、２Ｂを含む。一方のギア２Ａはビッカーズ硬さが他方のギア２Ｂのビッカーズ硬さよりも大きい。一方のギア２Ａの歯面は、突出山部高さＲｐｋが他方のギア２Ｂの歯面の突出山部高さＲｐｋよりも小さくかつ０．１μｍ以下であるとともに、突出谷部深さＲｖｋが他方のギア２Ｂの突出谷部深さＲｖｋよりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに噛み合う一対のギアを含むギア列に関する。

浸炭焼き入れ後に研削仕上げを行ったギアと、シェービング仕上げ後に浸炭焼き入れを行ったギアとを噛み合わせることによって、シェービング仕上げ側のギアの浸炭異常層に研削仕上げ側のギアの高精度な歯形を転写させるギア対が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平１１−１０１３２８号公報 特開平９−３０２４５４号公報

特許文献１のギア対は、初期摩耗が落ち着く、すなわち、なじみが完了する前の初期運転時にシェービング仕上げ側のギアの軟質な浸炭異常層に対して研削仕上げ側のギアの比較的粗い歯面性状が転写されながら摩耗するため噛み合い伝達効率が悪化する。

そこで、本発明は、初期運転時の噛み合い伝達効率が高くかつ早期になじみが完了するギア列を提供することを目的とする。

本発明のギア列は、互いに噛み合う一対のギアを含むギア列であって、前記一対のギアうちの一方のギアはビッカーズ硬さが前記一対のギアのうちの他方のギアのビッカーズ硬さよりも大きく、前記一方のギアの歯面は、ＩＳＯ １３５６５−２：１９９６の規格で定義された突出山部高さＲｐｋが前記他方のギアの歯面の前記突出山部高さＲｐｋよりも小さくかつ０．１μｍ以下であるとともに、前記規格で定義された突出谷部深さＲｖｋが前記他方のギアの前記突出谷部深さＲｖｋよりも小さいものである（請求項１）。

このギア列によれば、初期運転時に低硬度ギアの歯面が高硬度ギアの歯面によって初期摩耗が一方的に進行する。高硬度ギアは、低硬度ギアと比べて突出山部高さＲｐｋが相対的に小さく、しかも突出山部高さＲｐｋの値が０．１μｍ以下の歯面性状を有する。つまり、高硬度ギアは凹凸の少ない平滑な歯面性状を有する。一方、低硬度ギアは高硬度ギアに比べて突出山部高さＲｐｋが大きくかつ突出谷部深さＲｖｋも大きな歯面性状を有する。そのため、低硬度ギアの歯面について初期摩耗が進行すると、高硬度のギアの平滑な歯面性状が転写されることによって低硬度ギアの歯面の突出山部が除去される。その一方で、高硬度ギアの平滑な歯面は低硬度ギアの歯面の突出谷部には及ばないので、その突出谷部は残存する。つまり、初期摩耗によって低硬度ギアの歯面は突出山部が除去されて平坦であるが谷部が残存するいわゆるプラトーな歯面性状に変化する。突出谷部が残存することによって、その突出谷部が潤滑油を保持する手段として機能するので、各ギアの耐焼き付き性が向上する。また、本発明のギア列に含まれる一対のギアは、歯面が粗いギア同士を噛み合わせるギア対などよりも当初の噛み合い伝達効率が高くしかも早期になじみが完了する。したがって、噛み合い伝達効率が高い状態を早期に確立でき、その状態を持続できる。

本発明のギア列の一態様として、前記一方のギアが前記他方のギアに比べて大径であってもよい（請求項２）。この態様によれば、一対のギアの径が同じ場合や高硬度のギアが低硬度のギアよりも小径の場合と比べて、低硬度ギアが高硬度ギアに接触する単位時間当たりの回数が増えるので、低硬度ギアのなじみが完了するまでの時間を短縮できる。その結果、なじみに要するエネルギーを低減できる。

本発明のギア列の一態様として、前記一方のギアが前記他方のギアに比べて小径であってもよい（請求項３）。この態様によれば、歯面の突出山部Ｒｐｋの値を０．１μｍ以下に調整する加工面積が、一方のギアが他方のギアに比べて大径である場合よりも少なくなるので、加工のムラが少なくなるとともに加工に要する労力を低減できる。

本発明のギア列の一態様として、サンギアと、リングギアと、前記サンギア及び前記リングギアのそれぞれと噛み合うピニオンを回転自在に保持するプラネタリキャリアとを有する遊星歯車機構として構成され、前記リングギアが前記一方のギアであり、前記ピニオンが前記他方のギアであってもよい（請求項４）。この態様によれば、低硬度のピニオンと高硬度のリングギアとが噛み合うため、小径のピニオンのなじみが完了するまでの時間を短縮できる。また、遊星歯車機構が複数のピニオンを含む場合には、高硬度のリングギアの歯面の突出山部Ｒｐｋの値を０．１μｍ以下に調整する加工を行うだけで、すべてのピニオンをなじませることができるので加工の労力を低減できる。

本発明のギア列の一態様として、前記一対のギアは、前記一方のギアと前記他方のギアとの間で潤滑条件に優劣が存在する環境で使用され、潤滑条件が劣る側に前記一方のギアが用いられ、潤滑条件が優れる側に前記他方のギアが用いられてもよい（請求項５）。潤滑条件が劣る側のギア、つまり潤滑油の供給量が少ないギアは、潤滑条件が優れる側のギアと比べて歯面の表面温度が上がりやすくピッチングが発生しやすい。この態様によれば、潤滑条件が劣る側のギアが高硬度のギアであるのでピッチングの発生を抑制できる。

本発明のギア列の一態様として、前記一対のギアが複数組含まれ、各組に含まれる前記一方のギアが共通の軸線上に配置されてもよい（請求項６）。この態様によれば、同軸上に硬度及び歯面性状が異なるギアが複数個存在する場合と比べて、ギアの硬度及び歯面性状に関する品質管理が容易になる。

以上説明したように、本発明のギア列によれば、低硬度ギアのなじみによって突出山部が除去される一方で突出谷部が残存するため耐焼き付き性が向上する。また、高硬度ギアの歯面が平滑で、低硬度ギアの歯面が高硬度のギアの歯面よりも粗いため、歯面が粗いギア同士を噛み合わせる場合よりも噛み合い伝達効率が高くしかも早期になじみが完了する。したがって、噛み合い伝達効率が高い状態を早期に確立でき、その状態を持続できる。

本発明の一形態に係るギア列に含まれる一対のギアを示した斜視図。 各ギアのビッカーズ硬さと歯面の表面からの距離との関係を示した図。 高硬度ギアの歯面の粗さ曲線及び負荷曲線を示した図。 低硬度ギアの歯面の粗さ曲線及び負荷曲線を示した図。 各ギアの運転前の歯面の状態となじみ完了後の歯面の状態とを示した図。 図５の場合よりも潤滑状態が良好な場合における、各ギアの運転前の歯面の状態となじみ完了後の歯面の状態とを示した図。 従来ギア同士のなじみの過程を示した図。 各ギアの運転開始からの噛み合い伝達効率の変化を、比較例ととともに示した図。 他の形態のギア列の第１の例を示した図。 他の形態のギア列の第２の例を示した図。 他の形態のギア列の第３の例を示した図。 他の形態のギア列の第４の例を示した図。 高硬度ギアの加工方法のバリエーションを示した図。

図１に示すように、ギア列１には互いに噛み合う一対のギア２Ａ、２Ｂが含まれている。各ギア２Ａ、２Ｂは金属製のヘリカルギアとして構成されている。一方のギア２Ａは他方のギア２Ｂよりも大径である。一方のギア２Ａは他方のギア２Ｂと比べてビッカーズ硬さが大きい。つまり、一方のギア２Ａは他方のギア２Ｂよりも高硬度である。以下においては、説明の便宜上、ギア２Ａを高硬度ギア２Ａと表記し、ギア２Ｂを低硬度ギア２Ｂと表記する場合がある。なお、各ギア２Ａ、２Ｂのビッカーズ硬さは歯面の表面から内部まで均一ではない。図２に示すように、歯面から２０μｍ未満の表層部において、各ギア２Ａ、２Ｂの硬度の差が内部よりも顕著なものとなっている。各ギア２Ａ、２Ｂの内部の硬度は噛み合いに影響しないので、内部の硬度は各ギア２Ａ、２Ｂで同様であっても構わない。

各ギア２Ａ、２Ｂは、歯面性状についても両者に差異が設けられている。すなわち、図３及び図４に示された各ギアの歯面の粗さ曲線及び負荷曲線を参照すれば明らかなように、高硬度ギア２Ａは低硬度ギア２Ｂに比べて凹凸の少ない平滑な歯面性状を有する。各ギア２Ａ、２Ｂの歯面の性状を客観的に評価するため、物体の表面の性状を評価する指標として、ＩＳＯ １３５６５−２：１９９６で定義された突出山部高さＲｐｋ及び突出谷部深さＲｖｋを用いる。そうすると、高硬度ギア２Ａの突出山部高さＲｐｋは低硬度ギア２Ｂの突出山部高さＲｐｋよりも小さく、かつ０．１μｍ以下であり、高硬度ギア２Ａの突出谷部深さＲｖｋは低硬度ギア２Ｂの突出谷部深さＲｖｋよりも小さい。突出山部高さＲｐｋ及び突出谷部深さＲｖｋのそれぞれの大小関係並びに突出山部高さＲｐｋの値を評価するため、ギア２Ａ、２Ｂの各歯面に任意の測定箇所を設定し、各測定箇所における評価長さを１．０ｍｍとして市販の表面粗さ測定装置にて各ギア２Ａ、２Ｂの歯面性状を測定した。なお、上記規格を日本語に翻訳したものがＪＩＳ Ｂ０６７１−２：２００２である。

低硬度ギア２Ｂは周知の製造工程を経て製造される。すなわち、低硬度ギア２Ｂは、ギア用の金属材料に対してホブ盤で歯形を創成し、次に、浸炭焼き入れを行い、最後に、表面を研削加工することにより製造される。一方、高硬度ギア２Ａは、低硬度ギア２Ｂと同じ工程を経て製造されたギアに対して、以下に説明する硬度付与加工及び平滑表面加工を施すことによって製造される。本形態は、硬度付与加工として、ショットピーニング法の一種で比較的大きな粒子を高圧で歯面に衝突させる強化ショットピーニング法と呼ばれる加工方法を採用している。一方、平滑表面加工としては、研磨液を塗布しながら樹脂製ギアを噛み合わせて回転させるラッピング加工を採用している。これらの方法以外にも高硬度ギア２Ａの製造方法は種々存在するが、高硬度ギア２Ａの他の製造方法については後述する。

このような歯面性状を持つ各ギア２Ａ、２Ｂを噛み合わせて潤滑油を供給しながら運転すると、初期運転時には低硬度ギア２Ｂの歯面について初期摩耗（なじみ）が一方的に進行する。図５に示すように、運転前の状態から低硬度ギア２Ｂの歯面について初期摩耗が進行すると、高硬度ギア２Ａの平滑な歯面性状が転写されることによって低硬度ギア２Ｂの歯面の突出山部Ｐｋが除去される。その一方で、高硬度ギア２Ａの平滑な歯面は低硬度ギア２Ｂの歯面の突出谷部Ｖｋに及ばないので、その突出谷部Ｖｋは残存する。つまり、初期摩耗によって低硬度ギア２Ｂの歯面は突出山部Ｐｋが除去されて平坦であるが突出谷部Ｖｋが残存するプラトーな歯面性状に変化する。潤滑油が供給された状態であれば互いに噛み合う歯面間に油膜Ｏｆが存在するため摩耗の進行は運転時間の経過とともにある時点で飽和してなじみが完了する。なお、図５の場合よりも潤滑状態が良好であると、図６に示したように油膜Ｏｆが厚くなるため、摩耗の進行が図５の状態以前で飽和する。つまり、図６の場合の低硬度ギア２Ｂの突出山部Ｐｋの除去量は図５の場合に比べて少なくなる。

図５及び図６のいずれの場合でも、なじみが完了した後に低硬度ギア２Ｂの突出谷部Ｖｋが残存するので、その突出谷部Ｖｋが潤滑油を保持する手段として機能する。したがって、各ギア２Ａ、２Ｂの耐焼き付き性が向上する。また、図８に示すように、高硬度ギア２Ａと低硬度ギア２Ｂとのギア対Ｐａは、比較例Ｐ１〜Ｐ３のいずれと比べても当初の噛み合い伝達効率ηａが高く（ηａ＞η１,η２,η３）、しかも比較例Ｐ１及びＰ２よりも早期になじみが完了する。したがって、ギア対Ｐａは噛み合い効率が高い状態を早期に確立でき、その状態を持続できる。なお、図８に示した比較例Ｐ１は、硬度及び歯面性状が低硬度ギア２Ｂと同等のギア同士を組み合わせたギア対である。比較例Ｐ２は、硬度が高硬度ギア２Ａと同等で、かつ歯面性状が低硬度ギア２Ｂと同等なギアと、硬度及び歯面性状が低硬度ギア２Ｂと同等のギアとを組み合わせたギア対である。比較例Ｐ３は、硬度が高硬度ギア２Ａと同等でかつ歯面性状が低硬度ギア２Ｂと同等のギア同士を組み合わせたギア対である。

図１に示したように、本形態の各ギア２Ａ、２Ｂは、高硬度ギア２Ａが低硬度ギア２Ｂに比べて大径であるので、一対のギアの径が同じ場合や大小関係が反対の場合と比べて、低硬度ギア２Ｂが高硬度ギア２Ａに接触する単位時間当たりの回数が増えるので、低硬度ギア２Ｂのなじみが完了するまでの時間を短縮できる。その結果、なじみに要するエネルギーを低減できる。

本発明は以上の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、本発明を図９Ａ〜図９Ｄに示したギア列１ａ〜１ｄとして実施することができる。図９Ａのギア列１ａは、高硬度ギア２Ａが低硬度ギア２Ｂよりも小径である。この形態によれば、高硬度ギア２Ａの歯面に施す平滑表面加工の加工面積が、図１の形態よりも少なくなるので加工のムラが少なくなるとともに加工に要する労力を低減できる。

図９Ｂのギア列１ｂは、サンギアＳと、リングギアＲと、サンギアＳ及びリングギアＲのそれぞれと噛み合うピニオンＰを回転自在に保持するプラネタリキャリアＣとを有する遊星歯車機構として構成されている。そして、リングギアＲが高硬度ギア２Ａとして構成されるとともに、ピニオンＰが低硬度ギア２Ｂとして構成されている。低硬度のピニオンＰと高硬度のリングギアＲとが噛み合うため、小径のピニオンＰのなじみが完了するまでの時間を短縮できる。また、図９Ｂの遊星歯車機構には３つ（図９Ｂでは２つのみ示されている。）のピニオンＰが含まれるが、高硬度のリングギアＲの歯面に対して平滑表面加工を行うだけで、すべてのピニオンＰをなじませることができるので加工の労力を低減できる。

図９Ｃのギア列１ｃは、高硬度ギア２Ａと低硬度ギア２Ｂとの間で潤滑条件に優劣が存在する環境で使用されている。具体的には、高硬度ギア２Ａに供給される潤滑油ＯＩＬの量が低硬度ギア２Ｂに供給される潤滑油ＯＩＬの量に比べて少ないため、これらのギア２Ａ、２Ｂ間に潤滑条件に優劣が存在している。すなわち、高硬度ギア２Ａは潤滑条件が劣る側に、低硬度ギア２Ｂは潤滑条件が優れる側にそれぞれ設けられている。潤滑油の供給量が少ないギアは潤滑油の供給量が多いギアに比べて歯面の表面温度が上がりやすくピッチングが発生しやすい。図９Ｃのギア列１ｃは、潤滑油の供給量が少ない側に高硬度ギア２Ａが設けられているため、ピッチングの発生を抑制できる。

図９Ｄのギア列１ｄは、高硬度ギア２Ａと低硬度ギア２Ｂとの組み合わせが二組含まれている。そして、各組に含まれる高硬度ギア２Ａは共通の軸線上に配置されている。図９Ｄのギア列１ｄは、同軸上に硬度及び歯面性状が異なるギアが複数個存在する場合と比べて高硬度ギア２Ａの硬度及び歯面性状に関する品質管理が容易になる利点がある。

本発明のギア列に含まれる一対のギアはヘリカルギアで実施する場合に限らず、スパーギアやその他のタイプのギアで実施することも可能である。本発明のギア列はトランスミッション等の動力伝達がギア列にて行われる機械に組み込んで実施できる。ギア列がこのような機械に組み込まれた場合はギア列に対して潤滑油による潤滑が実施されることが好ましいが必須ではない。

上記形態は、硬度付与加工として強化ショットピーニング法を、平滑表面加工としてラッピング加工を採用しているが、本発明はこれらの加工方法に限定されない。例えば、硬度付与加工としては、強化ショットピーニング法の他に、通常の浸炭焼き入れの代わりに真空浸炭焼き入れや窒化処理を採用することも可能である。また、平滑表面加工としては、ラッピング加工の他に、擦り合わせ加工、微粒子ショットピーニング法、ウエットブラスト処理、化学研磨、電解研磨の各種の加工を採用できる。これらの加工方法のいずれを採用しても構わないが、これらの加工方法の相性を考慮した場合には、図１０で示すように枠で囲ったグループ間の組み合わせの中から加工方法を一つずつ選択して高硬度ギアを製造することが好ましい。

一対のギアのうち、一方のギアに対して硬度付与加工を施すことにより、一方のギアの硬度を他方のギアの硬度よりも高くすることは一例にすぎない。例えば、硬度付与加工の有無又は種類を問わず、一方のギアの材料として、他方のギアの材料よりも硬度が高い材料を選択することによって硬度差を設けることも可能である。

１、１ａ〜１ｄ ギア列
２Ａ 高硬度ギア（一方のギア）
２Ｂ 低硬度ギア（他方のギア）

Claims (6)

1. 互いに噛み合う一対のギアを含むギア列であって、
   前記一対のギアうちの一方のギアはビッカーズ硬さが前記一対のギアのうちの他方のギアのビッカーズ硬さよりも大きく、
   前記一方のギアの歯面は、ＩＳＯ １３５６５−２：１９９６の規格で定義された突出山部高さＲｐｋが前記他方のギアの歯面の前記突出山部高さＲｐｋよりも小さくかつ０．１μｍ以下であるとともに、前記規格で定義された突出谷部深さＲｖｋが前記他方のギアの前記突出谷部深さＲｖｋよりも小さいことを特徴とするギア列。
2. 前記一方のギアが前記他方のギアに比べて大径である請求項１に記載のギア列。
3. 前記一方のギアが前記他方のギアに比べて小径である請求項１に記載のギア列。
4. サンギアと、リングギアと、前記サンギア及び前記リングギアのそれぞれと噛み合うピニオンを回転自在に保持するプラネタリキャリアとを有する遊星歯車機構として構成され、前記リングギアが前記一方のギアであり、前記ピニオンが前記他方のギアである請求項１に記載のギア列。
5. 前記一対のギアは、前記一方のギアと前記他方のギアとの間で潤滑条件に優劣が存在する環境で使用され、潤滑条件が劣る側に前記一方のギアが用いられ、潤滑条件が優れる側に前記他方のギアが用いられる請求項１に記載のギア列。
6. 前記一対のギアが複数組含まれ、各組に含まれる前記一方のギアが共通の軸線上に配置されている請求項１に記載のギア列。

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